När det gäller att göra ett bestående intryck i geologisk historia, mediet gör hela skillnaden, särskilt i jordens paleo-hav. Här, under den arkeiska Eon (4, 000-2, 500 miljoner år sedan) och ibland under proterozoikum (2, 500-541 miljoner år sedan), när syre i atmosfären och haven var mycket lägre än idag, sedimentära mineraler bevarade signaturer av biologisk aktivitet i form av fina texturer skapade av mikrobiella samhällen. Miljöförhållandena under vilka stenar som dessa dikterar hur kristallstrukturen utvecklas-desto mer ordnad och finkornig, desto bättre bevarande.

Förståelse, och ännu bättre, replikera hur dessa gamla mineraler växte ger information om jordens tidigare miljöer, och hur organismer utvecklades och betedde sig. En av dessa fossilbärande stenar har visat sig vara svår att kopiera i labbet-tills nu.

Forskare från MIT och Princeton University har hittat ett sätt att efterlikna en del av den gamla jorden i labbet genom att återge en av dessa väderbeständiga, informationsbärande mineraler, dolomit, vars bildande länge har förvirrat forskare. En nära släkting till, och som kan skapas från, mineraler som gör kalksten, dolomit var genomgående tidigare; dock, forskare hittar det sällan i moderna miljöer. Även om det är skapat av komponenter som vanligtvis finns i havsvatten, det finns fysiska och kinetiska barriärer som förhindrar bildandet av dolomit-lager av karbonat (CO3-2) joner med alternerande centrala atomer av kalcium och magnesium. Alternativt, studier har rapporterat protodolomit - en sten med en störd kristallin struktur, förekommer endast i mycket salta moderna miljöer - men detta mineral bevarar inte samma fina mikrobiella strukturer som sin mer ordnade bror.

"För att leta efter bevis på gammalt liv och gamla processer, du måste titta på mikrobiella strukturer. Det är där informationen finns. En del av den informationen finns bevarad i form av mycket finkornig dolomit, som fälls ut nästan när mikroberna växer. Det bevarar skikten av dessa mikrobiella mattor, säger Tanja Bosak, docent vid MIT Department of Earth, Atmosfär och planetvetenskap (EAPS) vars laboratorium ledde forskningen. Hennes grupp använder experimentell geobiologi för att utforska moderna biogeokemiska och sedimentologiska processer i mikrobiella system och tolka livslängden på den tidiga jorden. Dock, "Det finns ett stort problem om ursprunget till finkornig dolomit i många mikrobiella strukturer genom tiden:Det fanns inget tydligt sätt att göra dolomit under jordens ytförhållanden."

Deras resultat publiceras i tidningen Geologi rapportera den första skapelsen av beställd dolomit och upptäck att tricket för att fånga dessa texturer kan vara en uppslamning av manganjoner, havsvatten, ljus, och en biofilm av anaerob, svavel-metaboliserande, fotosyntetiska mikrober i en syrefri miljö.

Studiens medförfattare är tidigare EAPS postdoc Mirna Daye och docent John Higgins från Princeton University.

Dolomitproblem och betydelsen av ordning

Sedan den första identifieringen av dolomit på 1700 -talet i det som nu kallas Dolomitbergen i norra Italien, forskare har blivit förvånade över hur dolomit bildas, och varför det finns så mycket gammal dolomit och så lite av mineralet i modern tid. Denna fråga kallades "dolomitproblemet".

Forskare har funnit att modern dolomit kan bildas på två huvudsakliga sätt. Det fäller ut när det är grunt, hypersalin havsvatten värms upp, och när kalksten möter magnesiumrikt vatten, som ett djupt rev som invaderas av havsvattenlösningar. Dock, båda metoderna gör stora kristaller som döljer mycket av den biologiska informationen. I modernt havsvatten, dock, aragonit och kalcit (olika kristallina strukturer av kalciumkarbonat) är mer benägna att fälla ut än dolomit. "Det är inte svårt att göra dolomit om du värmer upp en bägare med havsvatten till mycket höga temperaturer, men du kommer aldrig få det vid jordens yttemperatur och -tryck bara på egen hand, "säger Bosak." Det är verkligen svårt att få magnesium i mineralerna; den vill inte riktigt gå in i kristallgitteret. "Det är en del av den större bilden. Dessutom, dessa mekanismer tar inte hänsyn till mineralvariationer (mangan eller järnrik dolomit) som ses under den arkeiska och proterozoiska perioden som bevarade dessa strukturer. "Du ser att havsvattnet är mättat med avseende på dolomit, [men] det bildas bara inte, så det finns någon kinetisk barriär för det. "

Det var först i början av 1900 -talet som en rysk mikrobiolog visade potentialen för anaeroba bakterier att få dolomit att bildas från mineraler i havsvatten, en process som kallas biomineralisering. Sedan dess, forskare har funnit att i moderna miljöer, biofilmer - som innehåller fotosyntetiska mikrober och den slemmiga organiska matrisen som de utsöndrar för sitt hem (exopolymeriska ämnen) - i mycket förångande pooler av saltvatten kan ge en yta på vilken dolomit kan kärnbilda och växa. Dock, dessa biofilmer är inte fotosyntetiska. I kontrast, många mikrobiella strukturer som bevarades innan syrgasökningen växte i mindre salta marina miljöer och tros ha producerats av fotosyntetiska mikrobiella samhällen. Dessutom, platsen för joner och mikrober som tros vara involverade i denna process skilde sig sannolikt tidigare. De tidigare mikroberna förlitade sig på sulfid, väte, eller järnjoner för fotosyntes. Forskare misstänker att för mer än 2 miljarder år sedan, mangan- och järnjoner fanns högre i havssedimenten eller till och med i vattenpelaren. I dag, på grund av den syresatta atmosfären, de är begravda djupare i sediment där anaeroba förhållanden kan uppstå. Dock, bristen på solljus gör att mikrobiella mattor inte växer här, så inte heller dolomit.

Medan förslaget om mikrobiellt engagemang var ett starkt steg för att lösa dolomitproblemet, frågor om kristallordning och bildning i den solbelysta marina zonen, där mikrober koloniserar sediment, var fortfarande olösta.

Reproducerar det förflutna

Medan man undersökte tidigt sedimentologiskt bevarande, gruppen utförde en rad experiment som replikerade förhållandena i dessa gamla hav med en anaerob atmosfär. De använde en kombination av moderna biofilmer, ljusa/mörka miljöer, och havsvatten modifierat för att efterlikna tidiga jordförhållanden med och utan mangan, en av metaller som ofta finns i mineralet och som tros underlätta bakterietillväxt. Forskarna använde mikrober från en sjö i upstate New York, från djup som saknar syre.

I deras experiment, forskarna märkte något oväntat - att det mest förekommande mineralet i biofilmerna var högbeställd dolomit, och flaskorna som producerade mest fotosyntetiserande mikrober och mangan - ett resultat som överensstämmer med fältrapporter. När mattorna växte upp mot ljuset, kristaller samlades på dem, med den äldsta på botten som fångar små wiggles där degraderade mikrobiella mattor brukade vara. Ju mer omfattande täckningen, ju mindre porositet, vilket minskade risken för att vätskor infiltrerar dem, interagera med och lösa upp mineralerna, och i huvudsak radera data. Experimenten som saknar mangan eller utförs i mörkret (inte fotosyntetiserande) utvecklade störd dolomit. "Vi förstår inte exakt varför mangan och mikroberna har den effekten, men det verkar som om de gör det. Det är nästan som en naturlig följd av den typen av förhållanden, säger Bosak. "Det var en stor grej att visa att det faktiskt kan hända."

Nu när laget har hittat ett sätt att göra beställd dolomit, de planerar att undersöka varför det bildas, variationer, och hur berget registrerar de miljöförhållanden som det bildas i. Efter att ha sett effekten som mangan hade på dolomit, forskarna kommer att titta på järnjoner, som integrerades i dessa gamla stenar. "Järn verkar också stimulera bildandet av införlivandet av magnesium i detta mineral, oavsett anledning, säger Bosak.

De kommer också att undersöka de unika mikrobiella interaktionerna och fysiska egenskaperna som finns för att se vilka komponenter som är viktiga för att fälla ut dolomit. De enskilda nischer som varje anaerob organism upptar tycks hjälpa samhället att växa, cykelelement, bryta ner ämnen, och ger en yta för kristaller. Bosak -gruppen kommer att göra detta genom att fossilisera olika organismer under samma eller olika miljöförhållanden för att se om de kan producera dolomit. Under dessa experiment, de kommer att övervaka hur väl dolomit registrerar temperaturen vid vilken den gjordes, liksom den kemiska och isotopiska sammansättningen av den omgivande lösningen, för att förstå processen bättre.

"Jag tror att det säger oss att - när vi försöker tolka det förflutna - det är en riktigt annan planet:olika typer av organismer, olika typer av metabolism som var dominerande, säger Bosak, "och jag tror att vi bara börjar skrapa på ytan av vilka möjliga mineralresultat, vilken typ av texturresultat vi till och med kan förvänta oss. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.