Recreatie van oud zeewater onthult voedingsstoffen die de evolutie van het vroege leven hebben bepaald

Wetenschappers weten heel weinig over de omstandigheden in de oceanen toen het leven zich voor het eerst ontwikkelde, maar nieuw onderzoek werd in 2018 gepubliceerd Natuurlijke aardwetenschappen Het heeft onthuld hoe geologische processen de voedingsstoffen controleren die beschikbaar zijn om de ontwikkeling ervan te stimuleren.

Al het leven gebruikt voedingsstoffen zoals zink en koper om eiwitten te maken. De oudste levensvormen ontstonden in het Archaïsche tijdperk, drie en een half miljard jaar voordat dinosauriërs voor het eerst verschenen. Deze microben vertoonden een voorkeur voor metalen zoals molybdeen en mangaan vergeleken met hun recentere tegenhangers. Aangenomen wordt dat deze voorkeur de beschikbaarheid van mineralen in de oceaan op dat moment weerspiegelt.

Onderzoekers van de Universiteit van Kaapstad (UCT) en de Universiteit van Oxford hebben in het laboratorium eeuwenoud zeewater nagebootst. Ze ontdekten dat grenaliet, een veel voorkomend mineraal in archeologisch gesteente, zich snel vormt en daarbij zink, koper en vanadium verwijdert.

Toen grenaliet zich in de vroege oceanen vormde, werden deze mineralen uit het zeewater verwijderd, waardoor het rijk werd aan andere mineralen, zoals mangaan, molybdeen en cadmium. Interessant is dat de mineralen waarvan zij voorspelden dat ze het meest overvloedig aanwezig waren in de Archeïsche zeewateren, overeenkwamen met de mineralen die door vroege levensvormen werden gekozen, wat verklaart waarom ze tijdens de vroege evolutie de voorkeur kregen.

“We waren erg enthousiast toen we merkten dat onze resultaten overeenkwamen met de verwachtingen van biologen die een compleet andere aanpak hanteerden”, zegt hoofdonderzoeker dr. Rosalie Tostevin (Universiteit van Oxford ten tijde van het onderzoek, en nu hoofddocent bij de afdeling Geowetenschappen). aan de Universiteit van Kaapstad). “Het is altijd geruststellend als specialisten op andere vakgebieden tot vergelijkbare resultaten komen.”

Wetenschappers zijn het erover eens dat de wateren van de Archeïsche Zee heel anders waren dan nu, met meer opgelost ijzer en silica en weinig of geen zuurstof. Er bestaat echter weinig overeenstemming over andere aspecten van de zeewaterchemie, zoals de concentratie van voedingsstoffen.

“We kunnen niet terug in de tijd gaan om zeewater te bemonsteren en te analyseren, dus het reconstrueren van Archeïsche omstandigheden is een grote uitdaging. Eén benadering is om naar de chemische samenstelling van sedimentair gesteente te kijken, maar de chemie van zeer oude gesteenten is soms veranderd, Tostevin zei: “In plaats daarvan besloten we om in het laboratorium een ​​miniatuurversie van oud zeewater te maken, waar we direct konden observeren wat er gebeurde.”

Tostevin en haar collega Imad Ahmed creëerden archeaans zeewater in een speciale zuurstofvrije kamer en zagen hoe de grenaliet zich begon te vormen. Ze observeerden dramatische veranderingen in de metaalconcentraties in zeewater terwijl de mineralen zich vormden. Ze gebruikten röntgenabsorptiespectroscopie bij de Synchrotron Diamond Light Source om de intrede van mineralen in mineralen te bewijzen. Andere mineralen werden daarentegen niet beïnvloed door dit proces en bleven op een hoog niveau in het zeewater.

‘We weten dat grenaliet belangrijk was op de vroege aarde, omdat we het blijven vinden in oude rotsen, zoals ijzererts in de Noordkaap, Zuid-Afrika en soortgelijke rotsen in Australië,’ zei Tostevin. ‘We denken dat dit er misschien één is geweest. van de belangrijkste mineralen in het Archaïsche gebied. We weten niet precies hoe grenaliet zich in de natuur heeft gevormd. Eén mogelijkheid is dat grenaliet zich in de diepe oceaan heeft gevormd bij hydrothermale bronnen. Maar het is ook mogelijk dat het zich in ondiep water heeft gevormd, waar dan ook. was een kleine verandering in de pH.”

Tostevin en Ahmed besloten hun experimenten onder beide soorten omstandigheden uit te voeren en ontdekten dat, ongeacht hoe grenaliet zich vormde, het mineralen op een vergelijkbare manier verwijderde.

Een vraag die de onderzoekers bezighield was of de mineralen lange tijd zouden worden vastgehouden of na enkele maanden of jaren zouden worden teruggegeven aan het zeewater. Om dit te testen, verhitten ze mineralen om na te bootsen wat er in de natuur gebeurt als ze worden begraven en kristallisatie ondergaan. De mineralen bleven gevangen in het metaal, wat erop wijst dat dit een permanente put was voor mineralen die een diepgaande invloed zouden hebben gehad op het vroege zeewater.