Τα βακτήρια μάχονταν για τον σίδηρο στους πρώιμους ωκεανούς της Γης

Σχηματισμοί με λωρίδες σιδήρου (BIF) όπως αυτός στο φαράγγι Dales της Αυστραλίας, σχηματίστηκαν στους πρώιμους, φτωχούς σε οξυγόνο ωκεανούς της Γης. Από: Graeme Churchard/Flickr.

Πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, μικρόβια οξειδωτικά του σιδήρου μπορεί να ανταγωνίζονταν για διαλυμένο σίδηρο στον ωκεανό, με ορισμένα στελέχη να παράγουν τοξικά αέρια που έπνιγαν τους αντιπάλους τους. 

Οι σχηματισμοί με λωρίδες σιδήρου (BIFs) είναι εντυπωσιακά ιζηματογενή πετρώματα με κόκκινη απόχρωση που περιέχουν εναλλασσόμενα στρώματα σιδήρου και κερατόλιθου-chert [ένα πυκνό, σκληρό ιζηματογενές πέτρωμα πλούσιο σε πυρίτιο, που αποτελείται κυρίως από μικροκρυσταλλικό χαλαζία και χαλκηδόνιο. Είναι ευρέως κατανεμημένο σε διαφορετικά γεωλογικά στρώματα και σχηματίζεται μέσω διαφόρων χημικών, βιολογικών και ηφαιστειακών διεργασιών]. Αποτελούν λείψανα της πρώιμης ιστορίας της Γης, που πιστεύεται ότι σχηματίστηκαν όταν τα μικρόβια οξείδωσαν τον σίδηρο στους αρχαίους ωκεανούς, προκαλώντας τον να καθιζάνει ως σιδηρομετάλλευμα. 

Μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Geoscience δείχνει ότι διαφορετικά στελέχη βακτηρίων μπορεί να ανταγωνίζονται για τον σίδηρο, με ορισμένα στελέχη να χρησιμοποιούν δηλητηριώδη αέρια για να πάρουν το καλύτερο από τους ανταγωνιστές τους. «Η μελέτη δείχνει πώς η δυναμική της μικροβιακής κοινότητας μπορεί να έχει επηρεάσει την κατακρήμνιση BIF με τρόπους που προηγουμένως δεν είχαν αναγνωριστεί», δήλωσε η Leslie Robbins, γεωβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Regina στον Καναδά που δεν συμμετείχε στην έρευνα. 

Τα περισσότερα BIF είναι ηλικίας άνω των 1,8 δισεκατομμυρίων ετών. Εμφανίστηκαν σε μεγαλύτερη αφθονία κοντά στο τέλος του αρχαίου αιώνα, πριν από 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Εκείνη την εποχή, οι συνθήκες στη Γη ήταν δραστικά διαφορετικές από τις σημερινές. 

«Τις περισσότερες φορές σε εργαστηριακές μελέτες μελετάται ένα μεμονωμένο μικροβιακό στέλεχος ή μια μικρή ομάδα. Στην πραγματικότητα, όμως, γνωρίζουμε ότι οι μικροβιακές κοινότητες είναι πολύ πιο περίπλοκες». «Η κύρια διαφορά είναι το οξυγόνο», εξήγησε η Κέισι Μπράις, γεωβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ και συν-συγγραφέας της μελέτης. 

Στην Αρχαία-Αρχαιοζωική, χρονική περίοδο από 4.031 έως 2.500 δις. χρόνια πριν, οι ωκεανοί και η ατμόσφαιρα δεν περιείχαν σχεδόν καθόλου οξυγόνο. Αυτό είναι που κάνει τα BIF τόσο ενδιαφέροντα. Σήμερα, ο σίδηρος που έρχεται σε επαφή με τον αέρα ή το νερό οξειδώνεται γρήγορα σε σκουριά. Αλλά οι επιστήμονες χρειάζονται μια άλλη εξήγηση για τον οξειδωμένο σίδηρο στο φτωχό σε οξυγόνο Αρχαίο. Σύμφωνα με την τρέχουσα κατανόηση, μια ομάδα μικροβίων που ονομάζονται φωτοφερρότροφα έπαιξαν σημαντικό ρόλο στην εναπόθεση BIF. Φωτοσιδηρότροφοι επέπλεαν στα ρηχά νερά των αρχαίων ωκεανών, όπου οξειδώνουν τον σίδηρο με τη βοήθεια του ηλιακού φωτός. Στη συνέχεια, το σίδερο βυθίστηκε στον πυθμένα της θάλασσας, με την πάροδο του χρόνου χτίζοντας στρώματα οξειδωμένου σιδήρου πάχους έως και 900 μέτρων (3.000 πόδια). Αλλά οι ερευνητές δεν είναι βέβαιοι εάν άλλα είδη βακτηρίων εμπλέκονται στο σχηματισμό BIF και πώς αλληλεπιδρούν με φωτοφερροτρόφια. 

«Τις περισσότερες φορές σε εργαστηριακές μελέτες μελετάται ένα μεμονωμένο μικροβιακό στέλεχος ή μια μικρή ομάδα. Στην πραγματικότητα, οι μικροβιακές κοινότητες είναι πολύ πιο περίπλοκες», είπε ο Robbins. Οι συγγραφείς της νέας μελέτης είχαν ως στόχο να διερευνήσουν αυτή την πολυπλοκότητα. 

«Σχεδιάσαμε μια μελέτη για να εξετάσουμε τον ανταγωνισμό μεταξύ δύο διαφορετικών τύπων αναερόβιων βακτηρίων οξείδωσης του σιδήρου που θα έπρεπε να βρίσκονται σε άμεσο ανταγωνισμό για τον σίδηρο», είπε η Bryce. Τα πειράματά τους αντιμετώπισαν φωτοσιδηροτροφικά βακτήρια που μειώνουν τα νιτρικά, τα οποία αντιδρούν το σίδηρο με τα νιτρικά.

 «Περιμέναμε ότι ο ένας θα ήταν πιο γρήγορος, αλλά όχι ότι ο ένας θα δηλητηρίαζε τον άλλον». Για να ελέγξουν ποια στελέχη ήταν πιο επιτυχημένα στο να αρπάξουν σίδηρο, οι επιστήμονες καλλιέργησαν αυτούς τους δύο τύπους βακτηρίων τόσο μαζί όσο και σε ξεχωριστά φιαλίδια. Βρήκαν ότι τα φωτοσιδηροτροφικά απέτυχαν να αναπτυχθούν όταν καλλιεργούνταν με βακτήρια που μειώνουν τα νιτρικά, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι μειωτές νιτρικών ήταν καλύτεροι από τους φωτοσιδηροτρόφους για τον διαθέσιμο σίδηρο. Αλλά τα φωτοφερρότροφα στη μικτή καλλιέργεια όχι μόνο έχασαν τον αγώνα για σίδηρο - πέθαιναν επίσης πιο γρήγορα από το αναμενόμενο. 

Οι ερευνητές εντόπισαν το κοίλωμα σε ένα μικροβιακό χημικό όπλο:Τα βακτήρια που μειώνουν τα νιτρικά άλατα στην καλλιέργεια παρήγαγαν μονοξείδιο του αζώτου, το οποίο δηλητηρίαζε τα φωτοσιδηροτροφικά. «Περιμέναμε ότι το ένα θα ήταν πιο γρήγορο, αλλά όχι ότι το ένα θα δηλητηρίαζε το άλλο», είπε η Μπράις. «Είχαμε δουλέψει με τα νικητήρια βακτήρια για πολλά χρόνια και δεν είχαμε ιδέα ότι παρήγαγαν αυτή την τοξίνη». 

Υποστηρικτικός ρόλος για αναγωγείς νιτρικών αλάτων 

Η μελέτη αυξάνει την πιθανότητα ότι τα βακτήρια που μειώνουν τα νιτρικά άλατα έπαιξαν υποστηρικτικό ρόλο στον σχηματισμό BIF. 

Οι φωτοφερροτρόφοι μπορεί να προκάλεσαν την οξείδωση του σιδήρου στον ρηχό ωκεανό για μεγάλο μέρος του Αρχαιοζωικού, αλλά δυσκολεύτηκαν καθώς άλλαξε η χημεία του ωκεανού. Τα φωτοσυνθετικά κυανοβακτήρια άρχισαν να αποικίζουν τα ρηχά παράκτια ύδατα, εκπνέοντας οξυγόνο και πιθανώς ωθώντας φωτοσιδηροτρόφα που ήταν ντροπαλά για το οξυγόνο.

 Στον ανοιχτό ωκεανό, τα φωτοφερρότροφα είχαν περιορισμένη πρόσβαση σε θρεπτικά συστατικά που διοχετεύονταν στον ωκεανό από τα ποτάμια. Αυτή η έλλειψη θρεπτικών συστατικών πιθανώς περιόρισε την ικανότητά τους να οξειδώνουν τον σίδηρο. Τα βακτήρια που μειώνουν τα νιτρικά μπορεί να έχουν αυξήσει την πίεση στα φωτοσιδηρότροφα παράγοντας τοξικό μονοξείδιο του αζώτου.

 Καθώς τα φωτοσιδηρότροφα καταπνίγονταν όλο και περισσότερο, οι μειωτές νιτρικών θα μπορούσαν να έχουν αναπτυχθεί και να συνεχίσουν να σχηματίζουν BIF. 

Η Ρόμπινς επεσήμανε ότι χρειάζεται περαιτέρω έρευνα για να φανεί πόσο πολύπλοκες βακτηριακές κοινότητες επηρέασαν την οξείδωση του σιδήρου στον Αρχαιοζωικό. «Νομίζω ότι υπάρχουν πολλά ακόμα να μάθουμε», είπε. «Μελέτες όπως αυτή μπορεί να δώσουν περαιτέρω πληροφορίες για το πώς σχηματίστηκαν τα BIF».

Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα eos.org

περισσότερα,

Hasler, C. (2024), Bacteria battled for iron in Earth’s early oceans, Eos, 105, https://doi.org/10.1029/2024EO240509.

https://eos.org/articles/bacteria-battled-for-iron-in-earths-early-oceans