stringtranslate.com

Геобиология

Красочные микробные маты Большого призматического источника в Йеллоустонском национальном парке , США. Оранжевые маты состоят из Chloroflexia , « Cyanobacteria » и других организмов, которые процветают в воде с температурой 70˚C. Геобиологи часто изучают такие экстремальные среды, поскольку они являются домом для экстремофильных организмов. Была выдвинута гипотеза, что эти среды могут быть репрезентативными для ранней Земли. [1]

Геобиология — это область научных исследований , которая изучает взаимодействие между физической Землей и биосферой . Это относительно молодая область, и ее границы изменчивы. Существует значительное совпадение с областями экологии , эволюционной биологии , микробиологии , палеонтологии и, в частности, почвоведения и биогеохимии . Геобиология применяет принципы и методы биологии, геологии и почвоведения для изучения древней истории совместной эволюции жизни и Земли, а также роли жизни в современном мире. [2] Геобиологические исследования, как правило, сосредоточены на микроорганизмах и на роли, которую жизнь играет в изменении химической и физической среды педосферы , которая существует на пересечении литосферы , атмосферы , гидросферы и /или криосферы . Она отличается от биогеохимии тем, что фокусируется на процессах и организмах в пространстве и времени, а не на глобальных химических циклах.

Геобиологическое исследование синтезирует геологическую летопись с современными биологическими исследованиями. Оно имеет дело с процессом — как организмы влияют на Землю и наоборот — а также с историей — как Земля и жизнь изменились вместе. Многие исследования основаны на поиске фундаментального понимания, но геобиология также может применяться, как в случае микробов, которые очищают нефтяные разливы . [3]

Геобиология использует молекулярную биологию , микробиологию окружающей среды , органическую геохимию и геологические данные для исследования эволюционной взаимосвязи жизни и Земли. Она пытается понять, как изменилась Земля с момента зарождения жизни и какой она могла быть на этом пути. Некоторые определения геобиологии даже раздвигают границы этого временного интервала — к пониманию происхождения жизни и роли, которую люди играли и будут продолжать играть в формировании Земли в антропоцене . [3]

История

Микробный мат в Уайт-Крик, Йеллоустонский национальный парк , США. Обратите внимание на коническую микроструктуру бактериальных сообществ. Предполагается, что они являются живым аналогом древних ископаемых строматолитов . На вершине каждого конуса находится пузырек кислородного газа, продукт кислородного фотосинтеза цианобактерий в многовидовых микробных матах .

Термин геобиология был придуман Лоуренсом Баасом Бекингом в 1934 году. По его словам, геобиология «является попыткой описать связь между организмами и Землей», поскольку «организм является частью Земли, и его судьба переплетена с судьбой Земли». Определение геобиологии Баасом Бекингом родилось из желания объединить экологическую биологию с лабораторной биологией. То, как он это практиковал, тесно связано с современной экологической микробной экологией , хотя его определение остается применимым ко всей геобиологии. В своей книге «Геобиология» Басс Бекинг заявил, что у него не было намерения изобретать новую область исследований. [4] Понимание геобиологии Баасом Бекингом во многом было обусловлено его предшественниками, включая Мартинуса Бейеринка , его учителя из Голландской школы микробиологии. Среди других были Владимир Вернадский , который в своей книге «Биосфера» 1926 года утверждал, что жизнь изменяет поверхностную среду Земли [5] , и Сергей Виноградский, известный открытием литотрофных бактерий. [6]

Первой лабораторией, официально посвященной изучению геобиологии, была Геобиологическая лаборатория Бааса Бекинга в Австралии, которая открылась в 1965 году. [4] Однако потребовалось еще около 40 лет, чтобы геобиология стала прочно укоренившейся научной дисциплиной, отчасти благодаря достижениям в области геохимии и генетики , которые позволили ученым начать синтезировать изучение жизни и планет.

В 1930-х годах Альфред Трейбс открыл хлорофиллоподобные порфирины в нефти , подтвердив ее биологическое происхождение, [7] тем самым основав органическую геохимию и установив понятие биомаркеров , важнейший аспект геобиологии. Но прошло несколько десятилетий, прежде чем появились инструменты , позволяющие начать серьезный поиск химических следов жизни в породах. В 1970-х и 80-х годах такие ученые, как Джеффри Эглингтон и Роджер Саммонс, начали находить липидные биомаркеры в записях о породах, используя оборудование, подобное ГХ-МС . [8]

Что касается биологии, то в 1977 году Карл Вёзе и Джордж Фокс опубликовали филогению жизни на Земле, включив в нее новый домен — археи . [9] А в 1990-х годах стали возможны генетические и геномные исследования, расширившие сферу изучения взаимодействия жизни и планеты.

Сегодня геобиология имеет свои собственные журналы, такие как Geobiology , основанный в 2003 году, [10] и Biogeosciences , основанный в 2004 году, [11] , а также признание на крупных научных конференциях. Она получила свою собственную Gordon Research Conference в 2011 году, [12] было опубликовано несколько учебников по геобиологии, [3] [13] и многие университеты по всему миру предлагают программы обучения по геобиологии (см. Внешние ссылки).

Основные геобиологические события

Геологическая шкала времени, наложенная на основные геобиологические события и явления. Кислородная оксигенация атмосферы показана синим цветом, начиная с 2,4 млрд лет назад, хотя точная датировка Великого события оксигенации является предметом споров. [14]

Возможно, наиболее значимым геобиологическим событием является привнесение кислорода в атмосферу фотосинтезирующими бактериями . Эта оксигенация первичной атмосферы Земли (так называемая кислородная катастрофа или Великое событие оксигенации ) и оксигенация океанов изменили поверхностные биогеохимические циклы и типы организмов, которые были отобраны в ходе эволюции.

Последующим крупным изменением стало появление многоклеточности . Наличие кислорода позволило эукариотам , а позднее и многоклеточной жизни развиться.

Более антропоцентрические геобиологические события включают в себя происхождение животных и формирование наземной растительности, которые повлияли на континентальную эрозию и круговорот питательных веществ , а также, вероятно, изменили типы наблюдаемых рек, что позволило проложить каналы ранее преимущественно разветвленным рекам.

Более тонкие геобиологические события включают роль термитов в переворачивании осадков, коралловых рифов в отложении карбоната кальция и разрушении волн, губок в поглощении растворенного морского кремния, роль динозавров в разрушении речных дамб и содействии наводнениям, а также роль навоза крупных млекопитающих в распределении питательных веществ. [15] [16]

Важные концепции

Геобиология основана на нескольких основных концепциях, которые объединяют изучение Земли и жизни. Хотя существует множество аспектов изучения прошлых и настоящих взаимодействий между жизнью и Землей, которые неясны, несколько важных идей и концепций обеспечивают основу знаний в геобиологии, которые служат платформой для постановки исследовательских вопросов, включая эволюцию жизни и планеты и их коэволюцию, генетику - как с исторической, так и с функциональной точки зрения, метаболическое разнообразие всей жизни, седиментологическое сохранение прошлой жизни и происхождение жизни.

Коэволюция жизни и Земли

Основная концепция геобиологии заключается в том, что жизнь меняется с течением времени посредством эволюции . Теория эволюции постулирует, что уникальные популяции организмов или видов возникли из генетических модификаций в предковой популяции, которые передавались путем дрейфа и естественного отбора . [17]

Наряду со стандартной биологической эволюцией, жизнь и планета коэволюционируют. Поскольку наилучшие адаптации — это те, которые соответствуют экологической нише , в которой живет организм, физические и химические характеристики окружающей среды управляют эволюцией жизни путем естественного отбора, но обратное также может быть верным: с каждым появлением эволюции окружающая среда меняется.

Классическим примером совместной эволюции является эволюция фотосинтетических цианобактерий, вырабатывающих кислород , которые насыщали кислородом архейскую атмосферу Земли . Предки цианобактерий начали использовать воду в качестве источника электронов для использования энергии солнца и выделения кислорода до или во время раннего палеопротерозоя . В это время, около 2,4–2,1 миллиарда лет назад, [18] геологические данные свидетельствуют о том, что уровень кислорода в атмосфере начал повышаться в ходе так называемого Великого события оксигенации (ВКО) . [19] [20] Неясно, как долго цианобактерии занимались оксигенным фотосинтезом до ВКО. Некоторые данные свидетельствуют о том, что существовали геохимические «буферы» или стоки, подавляющие повышение уровня кислорода, такие как вулканизм [21], хотя цианобактерии могли производить его до ВКО. [22] Другие данные указывают на то, что повышение уровня оксигенного фотосинтеза совпало с ВКО. [23]

Полосчатая железистая формация (BIF), формация Хаммерсли , Западная Австралия

Присутствие кислорода на Земле с момента его первого производства цианобактериями до ВКР и до сегодняшнего дня оказало радикальное влияние на ход эволюции жизни и планеты. [19] Это могло спровоцировать образование окисленных минералов [24] и исчезновение окисляемых минералов, таких как пирит, из древних русел рек. [25] Наличие железо-полосчатых образований (ЖП) было интерпретировано как ключ к повышению уровня кислорода, поскольку небольшие количества кислорода могли реагировать с восстановленным двухвалентным железом (Fe(II)) в океанах, что приводило к отложению осадков, содержащих оксид Fe(III), в таких местах, как Западная Австралия. [26] Однако любая окислительная среда, включая ту, что создается микробами, такими как окисляющий железо фотоавтотроф Rhodopseudomonas palustris , [27] может спровоцировать образование оксида железа и, таким образом, отложение ЖП. [28] [29] [30] Другие механизмы включают окисление ультрафиолетовым светом . [31] Действительно, BIF происходят на протяжении больших периодов истории Земли и могут не коррелировать только с одним событием. [30]

Другие изменения, связанные с ростом кислорода, включают появление ржаво-красных древних палеопочв , [19] различное фракционирование изотопов таких элементов, как сера , [32] и глобальные оледенения и события Snowball Earth , [33] возможно, вызванные окислением метана кислородом , не говоря уже о перестройке типов организмов и метаболизма на Земле. В то время как организмы до роста кислорода, вероятно, были отравлены кислородным газом, как и многие анаэробы сегодня, [34] те, которые развили способы использования способности кислорода принимать электроны и давать энергию, были готовы процветать и колонизировать аэробную среду.

Современные живые строматолиты в заливе Шарк, Австралия. Залив Шарк — одно из немногих мест в мире, где сегодня можно увидеть строматолиты, хотя они, вероятно, были распространены в древних мелководных морях до появления многоклеточных хищников.

Земля изменилась

Земля не оставалась прежней с момента своего планетарного формирования 4,5 миллиарда лет назад. [35] [36] Континенты формировались, распадались и сталкивались, предлагая новые возможности и препятствия для распространения жизни. Окислительно-восстановительное состояние атмосферы и океанов изменилось, как показывают изотопные данные. Колебания количества неорганических соединений, таких как углекислый газ , азот , метан и кислород , были вызваны жизнью, развивающей новые биологические метаболизмы для создания этих химических веществ, и привели к эволюции новых метаболизмов для использования этих химических веществ. Земля приобрела магнитное поле около 3,4 млрд лет назад [37] , которое претерпело ряд геомагнитных инверсий порядка миллионов лет. [38] Температура поверхности находится в постоянном колебании, падая во время оледенений и событий Snowball Earth из-за обратной связи лед-альбедо , [39] повышаясь и тая из-за вулканического выделения газа и стабилизируясь из-за обратной связи выветривания силиката . [40]

И Земля не единственная, которая изменилась — яркость Солнца увеличилась с течением времени. Поскольку горные породы фиксируют историю относительно постоянных температур с момента зарождения Земли, должно было быть больше парниковых газов , чтобы поддерживать температуру в архее, когда Солнце было моложе и слабее. [41] Все эти основные различия в окружающей среде Земли наложили очень разные ограничения на эволюцию жизни на протяжении всей истории нашей планеты. Более того, более тонкие изменения в среде обитания жизни всегда происходят, формируя организмы и следы, которые мы наблюдаем сегодня и в летописи горных пород.

Гены кодируют геобиологическую функцию и историю

Генетический код является ключом к наблюдению за историей эволюции и пониманию возможностей организмов. Гены являются базовой единицей наследования и функции, и, как таковые, они являются базовой единицей эволюции и средством, стоящим за метаболизмом . [42]

Филогенез предсказывает эволюционную историю

Филогенетическое древо живых существ, основанное на данных рРНК и предложенное Карлом Вёзе , показывающее разделение бактерий , архей и эукариот и связывающее три ветви живых организмов с LUCA (черный ствол в нижней части древа).

Филогенез берет генетические последовательности из живых организмов и сравнивает их друг с другом, чтобы выявить эволюционные связи, подобно тому, как генеалогическое древо показывает, как отдельные люди связаны со своими дальними родственниками. [43] Это позволяет нам расшифровывать современные связи и делать выводы о том, как эволюция происходила в прошлом.

Филогенез может дать некоторое представление об истории, если объединить его с немного большей информацией. Каждое различие в ДНК указывает на расхождение между одним видом и другим. [43] Это расхождение, будь то через дрейф или естественный отбор, является репрезентативным для некоторого промежутка времени. [43] Сравнение последовательностей ДНК само по себе дает запись истории эволюции с произвольной мерой филогенетического расстояния, «датирующего» последнего общего предка. Однако, если доступна информация о скорости генетической мутации или присутствуют геологические маркеры для калибровки эволюционного расхождения (т. е. ископаемые останки ), у нас есть временная шкала эволюции. [44] Отсюда, с идеей о других одновременных изменениях в жизни и окружающей среде, мы можем начать размышлять, почему определенные эволюционные пути могли быть выбраны. [45]

Гены кодируют метаболизм

Молекулярная биология позволяет ученым понять функцию гена с помощью микробного культивирования и мутагенеза . Поиск похожих генов в других организмах и в метагеномных и метатранскриптомных данных позволяет нам понять, какие процессы могут быть значимыми и важными в данной экосистеме, обеспечивая понимание биогеохимических циклов в этой среде.

Например, интригующей проблемой в геобиологии является роль организмов в глобальном круговороте метана . Генетика выявила, что ген метанмонооксигеназы ( pmo ) используется для окисления метана и присутствует у всех аэробных метан-окислителей, или метанотрофов . [46] Наличие последовательностей ДНК гена pmo в окружающей среде может быть использовано в качестве прокси для метанотрофии. [47] [48] Более обобщающим инструментом является ген рибосомальной РНК 16S , который обнаружен у бактерий и архей. Этот ген очень медленно эволюционирует с течением времени и обычно не переносится горизонтально , поэтому его часто используют для различения различных таксономических единиц организмов в окружающей среде. [9] [49] Таким образом, гены являются ключами к метаболизму и идентичности организмов. Генетика позволяет нам спрашивать «кто там?» и «что они делают?» Этот подход называется метагеномикой . [49]

Строматолиты возрастом 3,4 миллиарда лет из группы Уорравуна , Западная Австралия . В то время как происхождение докембрийских строматолитов является предметом жарких споров в геобиологии, [50] предполагается, что строматолиты из Уорравуны были образованы древними сообществами микробов. [51]

Метаболическое разнообразие влияет на окружающую среду

Жизнь использует химические реакции для генерации энергии, осуществления биосинтеза и устранения отходов. [52] Различные организмы используют очень разные метаболические подходы для удовлетворения этих основных потребностей. [53] В то время как животные, такие как мы, ограничены аэробным дыханием , другие организмы могут «дышать» сульфатом (SO42-), нитратом (NO3-), трехвалентным железом (Fe(III)) и ураном (U(VI)) или жить за счет энергии от ферментации . [53] Некоторые организмы, такие как растения, являются автотрофами , что означает, что они могут фиксировать углекислый газ для биосинтеза. Растения являются фотоавтотрофами , поскольку они используют энергию света для фиксации углерода. Микроорганизмы используют оксигенную и аноксигенную фотоавтотрофию, а также хемоавтотрофию . Микробные сообщества могут координировать свои действия в синтрофном метаболизме, чтобы изменить кинетику реакции в свою пользу. Многие организмы могут выполнять несколько метаболизмов для достижения одной и той же конечной цели; их называют миксотрофами . [53]

Биотический метаболизм напрямую связан с глобальным круговоротом элементов и соединений на Земле. Геохимическая среда питает жизнь, которая затем производит различные молекулы, которые попадают во внешнюю среду. (Это имеет прямое отношение к биогеохимии .) Кроме того, биохимические реакции катализируются ферментами, которые иногда предпочитают один изотоп другим. Например, кислородный фотосинтез катализируется RuBisCO , который предпочитает углерод-12 углероду-13, что приводит к фракционированию изотопов углерода в горной породе. [54]

«Гигантские» ооиды формации Джонни в районе Долины Смерти, Калифорния, США. Ооиды — это почти сфероидальные зерна карбоната кальция , которые накапливаются вокруг центрального ядра и могут осаждаться, образуя оолиты, подобные этим. Микробы могут быть посредниками в образовании ооидов. [50]

Осадочные породы рассказывают историю

Осадочные породы сохраняют остатки истории жизни на Земле в виде окаменелостей , биомаркеров , изотопов и других следов. Летопись горных пород далека от совершенства, а сохранение биосигнатур — редкое явление. Понимание того, какие факторы определяют степень сохранения и значение того, что сохраняется, являются важными компонентами для распутывания древней истории совместной эволюции жизни и Земли. [8] Осадочная летопись позволяет ученым наблюдать изменения в составе жизни и Земли с течением времени, а иногда даже датировать крупные переходы, такие как события вымирания.

Некоторые классические примеры геобиологии в осадочной летописи включают строматолиты и железно-полосчатые формации. Роль жизни в происхождении обоих из них является предметом оживленных дискуссий. [19]

Жизнь – это в основе своей химия

Первая жизнь возникла из абиотических химических реакций . Когда это произошло, как это произошло и даже на какой планете это произошло, неизвестно. Однако жизнь следует правилам и возникла из безжизненной химии и физики . Она ограничена такими принципами, как термодинамика . Это важная концепция в этой области, поскольку она представляет собой воплощение взаимосвязанности, если не одинаковости, жизни и Земли. [55]

Хотя часто делегируются в область астробиологии , попытки понять, как и когда возникла жизнь, также имеют отношение к геобиологии. [56] Первые крупные шаги к пониманию «как» были сделаны с экспериментом Миллера-Юри , когда аминокислоты образовались из имитированного « первичного бульона ». Другая теория заключается в том, что жизнь зародилась в системе, очень похожей на гидротермальные источники в срединно-океанических центрах распространения . В синтезе Фишера-Тропша различные углеводороды образуются в условиях, подобных источникам. Другие идеи включают гипотезу «Мира РНК» , которая постулирует, что первой биологической молекулой была РНК , и идею о том, что жизнь зародилась в другом месте Солнечной системы и была занесена на Землю, возможно, через метеорит . [55]

Методология

Микробный мат, растущий на кислой почве в бассейне гейзера Норрис , Йеллоустонский национальный парк , США. Черная верхушка служит своего рода солнцезащитным кремом, а если заглянуть под нее, то можно увидеть зеленые цианобактерии .

Хотя геобиология является разнообразной и многогранной областью, охватывающей идеи и методы из широкого спектра дисциплин, существует ряд важных методов, которые являются ключевыми для изучения взаимодействия жизни и Земли, которые здесь рассматриваются. [3]

  1. Лабораторное культивирование микробов используется для характеристики метаболизма и образа жизни интересующих организмов.
  2. Секвенирование генов позволяет ученым изучать взаимоотношения между существующими организмами с помощью филогенетики.
  3. Экспериментальная генетическая манипуляция или мутагенез используется для определения функции генов в живых организмах.
  4. Микроскопия используется для визуализации микробного мира. Работа с микроскопом варьируется от наблюдения за окружающей средой до количественных исследований с использованием ДНК-зондов и визуализации высокого разрешения интерфейса микроб-минерал с помощью электронного микроскопа (ЭМ).
  5. Изотопные индикаторы можно использовать для отслеживания биохимических реакций с целью изучения метаболизма микроорганизмов.
  6. Можно измерить естественное содержание изотопов в горных породах, чтобы выявить изотопное фракционирование , соответствующее биологическому происхождению.
  7. Подробная характеристика окружающей среды важна для понимания того, что в среде обитания может управлять эволюцией жизни и, в свою очередь, как жизнь может менять эту нишу. Она включает в себя, но не ограничивается, температуру, свет, pH, соленость, концентрацию определенных молекул, таких как кислород, и биологическое сообщество.
  8. Седиментология и стратиграфия используются для чтения горных пород. Летопись горных пород хранит историю геобиологических процессов в отложениях, которые могут быть извлечены посредством понимания осаждения , седиментации , уплотнения , диагенеза и деформации .
  9. Поиск и изучение ископаемых, хотя и часто относят к отдельной области палеонтологии , играют важную роль в геобиологии, хотя масштаб ископаемых обычно меньше ( микропалеонтология ).
  10. Биохимический анализ биомаркеров , представляющих собой окаменелые или современные молекулы, указывающие на присутствие определенной группы организмов или метаболизма, используется для ответа на вопросы о доказательствах существования жизни и метаболическом разнообразии. [8]
  11. Палеомагнетизм — это изучение древнего магнитного поля планеты. Это важно для понимания магнитных ископаемых , биоминерализации и глобальных изменений экосистемы.

Субдисциплины и смежные области

Как следует из названия, геобиология тесно связана со многими другими областями изучения и не имеет четко определенных границ или идеального соглашения о том, что именно они включают. Некоторые специалисты придерживаются очень широкого взгляда на ее границы, охватывая многие старые, более устоявшиеся области, такие как биогеохимия, палеонтология и микробная экология. Другие придерживаются более узкого взгляда, относя ее к новым исследованиям, которые попадают между этими существующими областями, такими как геомикробиология. Следующий список включает как те, которые явно являются частью геобиологии, например, геомикробиология, так и те, которые разделяют научные интересы, но исторически не считались субдисциплиной геобиологии, например, палеонтология.

Астробиология

Астробиология — это междисциплинарная область, которая использует комбинацию геобиологических и планетарных научных данных для установления контекста для поиска жизни на других планетах . Происхождение жизни из неживой химии и геологии, или абиогенез , является основной темой в астробиологии. Несмотря на то, что это в основном земная проблема и, следовательно, большой геобиологический интерес, для того, чтобы понять происхождение жизни, необходимо рассмотреть, что требуется для жизни, что, если таковое есть, является особенным на Земле, что могло измениться, чтобы позволить жизни расцвести, что является доказательством жизни, и даже что составляет саму жизнь. Это те же вопросы, которые ученые могут задать при поиске инопланетной жизни. Кроме того, астробиологи исследуют возможность жизни, основанной на других метаболизмах и элементах, выживаемость организмов Земли на других планетах или космических кораблях, эволюцию планетарной и солнечной системы и космическую геохимию. [57]

Биогеохимия

Биогеохимия — это системная наука, которая синтезирует изучение биологических, геологических и химических процессов для понимания реакций и состава природной среды. Она занимается в первую очередь глобальными циклами элементов, такими как циклы азота и углерода. Отцом биогеохимии был Джеймс Лавлок , чья « гипотеза Геи » предполагала, что биологические, химические и геологические системы Земли взаимодействуют для стабилизации условий на Земле, которые поддерживают жизнь. [58]

Геобиохимия

Строматолиты в сланцах Грин-Ривер, Вайоминг , США, датируемые эоценом

Геобиохимия похожа на биогеохимию , но отличается тем, что делает акцент на влиянии геологии на развитие биохимических процессов жизни, в отличие от роли жизни в циклах Земли. Ее главная цель — связать биологические изменения, охватывающие эволюционные модификации генов и изменения в экспрессии генов и белков, с изменениями температуры, давления и состава геохимических процессов, чтобы понять, когда и как развивался метаболизм. Геобиохимия основана на представлении о том, что жизнь — это планетарный ответ, поскольку метаболический катализ позволяет высвобождать энергию, захваченную остывающей планетой. [59]

Микробиология окружающей среды

Микробиология — это широкая научная дисциплина, относящаяся к изучению той жизни, которую лучше всего рассматривать под микроскопом. Она охватывает несколько областей, которые имеют непосредственное отношение к геобиологии, и все инструменты микробиологии относятся к геобиологии. Экологическая микробиология особенно тесно связана с геобиологией, поскольку она стремится понять реальные организмы и процессы, которые имеют отношение к природе, в отличие от традиционного лабораторного подхода к микробиологии. Микробная экология похожа, но, как правило, больше фокусируется на лабораторных исследованиях и отношениях между организмами в сообществе, а также в экосистеме их химической и геологической физической среды. Обе опираются на такие методы, как сбор образцов из различных сред, метагеномика , секвенирование ДНК и статистика .

Геомикробиология и микробная геохимия

Вертикальное сечение микробного мата, содержащего различные организмы , которые выполняют различные метаболизмы . Зелёный цвет, предположительно, цианобактерии , а на поверхности видны микроструктуры, похожие на вигвамы.

Геомикробиология традиционно изучает взаимодействие микробов и минералов . Хотя она, как правило, полагается на инструменты микробиологии, микробная геохимия использует геологические и химические методы для подхода к той же теме с точки зрения горных пород. Геомикробиология и микробная геохимия (GMG) — это относительно новая междисциплинарная область, которая в более широком смысле изучает отношения между микробами, Землей и экологическими системами. Объявляемая подмножеством как геобиологии, так и геохимии, GMG стремится понять элементарные биогеохимические циклы и эволюцию жизни на Земле. В частности, она задает вопросы о том, где живут микробы, их локальном и глобальном изобилии, их структурной и функциональной биохимии, как они эволюционировали, биоминерализации и их потенциале сохранения и присутствии в горных породах. Во многих отношениях GMG, по-видимому, эквивалентна геобиологии, но отличается по сфере применения: геобиология фокусируется на роли всей жизни, в то время как GMG является строго микробной. Несмотря на это, именно эти мельчайшие существа доминировали в истории жизни, которая со временем интегрировалась и, по-видимому, имела самые далеко идущие последствия. [60]

Молекулярная геомикробиология

Молекулярная геомикробиология использует механистический подход к пониманию биологических процессов, которые имеют геологическое значение. Это может быть на уровне ДНК, белка, липидов или любого метаболита . Одним из примеров исследований молекулярной геомикробиологии является изучение того, как недавно созданные лавовые поля колонизируются микробами. В настоящее время Хельсинкский университет проводит исследования, чтобы определить, какие конкретные микробные черты необходимы для успешной первоначальной колонизации, и как волны микробной сукцессии могут преобразовать вулканическую породу в плодородную почву. [61]

Органическая геохимия

Органическая геохимия — это изучение органических молекул, которые появляются в ископаемых остатках осадочных пород. Исследования в этой области касаются молекулярных ископаемых , которые часто являются липидными биомаркерами. Молекулы, такие как стерины и гопаноиды, мембранные липиды, обнаруженные у эукариот и бактерий, соответственно, могут сохраняться в горных породах в течение миллиардов лет. После смерти организма, из которого они произошли, и седиментации они подвергаются процессу, называемому диагенезом, в ходе которого многие из специфических функциональных групп липидов теряются, но углеводородный скелет остается нетронутым. Эти окаменелые липиды называются стеранами и гопанами, соответственно. [62] Существуют также другие типы молекулярных ископаемых, такие как порфирины , открытие которых в нефти Альфредом Э. Трейбсом фактически привело к созданию этой области. [8] Другие аспекты геохимии , которые также имеют отношение к геобиологии, включают изотопную геохимию, в которой ученые изучают фракционирование изотопов в горных породах, а также химический анализ биоминералов , таких как магнетит или микробно-осажденное золото.

Эдиакарские окаменелости из Мистейкен-Пойнт , Ньюфаундленд. Эдиакарская биота возникла в эдиакарский период и отличается от большинства современных животных.

Палеонтология

Возможно, самая старая из них, палеонтология, — это изучение ископаемых. Она включает в себя открытие, раскопки, датирование и палеоэкологическое понимание любого типа ископаемых, микробных или динозавровых, следов или ископаемых тел. Микропалеонтология особенно актуальна для геобиологии. Предполагаемые бактериальные микроископаемые и древние строматолиты используются в качестве доказательства возникновения метаболизма, такого как кислородный фотосинтез. [63] Поиск молекулярных ископаемых, таких как липидные биомаркеры, такие как стераны и гопаны, также сыграл важную роль в геобиологии и органической геохимии. [8] Соответствующие субдисциплины включают палеоэкологию и палеобиогеорафию .

Биогеография

Биогеография — это изучение географического распределения жизни во времени. Она может рассматривать современное распределение организмов по континентам или между микронишами, или распределение организмов во времени или в прошлом, что называется палеобиогеографией.

Эволюционная биология

Эволюционная биология — это изучение эволюционных процессов, которые сформировали разнообразие жизни на Земле. Она включает в себя генетику , экологию, биогеографию и палеонтологию для анализа таких тем, как естественный отбор , дисперсия, адаптация , дивергенция, генетический дрейф и видообразование .

Экогидрология

Экогидрология — междисциплинарная область, изучающая взаимодействие воды и экосистем. Стабильные изотопы воды иногда используются в качестве индикаторов источников воды и путей потока между физической средой и биосферой. [64] [65]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Жизнь в экстремальной жаре - Йеллоустонский национальный парк (Служба национальных парков США)". www.nps.gov . Получено 2016-06-04 .
  2. ^ Дилек, Йилдирим; Харальд Фурнес; Карлис Мюленбахс (2008). Связи между геологическими процессами, микробной активностью и эволюцией жизни. Springer. стр. v. ISBN 978-1-4020-8305-1.
  3. ^ abcd Knoll, Andrew H.; Canfield, Professor Don E.; Konhauser, Kurt O. (2012-03-30). Основы геобиологии. John Wiley & Sons. ISBN 9781118280881.
  4. ^ ab Becking, LGM Baas (2015). Canfield, Donald E. (ред.). Геобиология Бааса Бекинга . John Wiley & Sons.
  5. ↑ Вернадский, Владимир И. (1926). Биосфера .
  6. ^ Виноградский, Сергей (1887). «Убер Швефельбактерин». Бот. Цайтунг (45): 489–610.
  7. ^ Трейбс, Альфред (19 сентября 1936). «Хлорофилл и геминдериваты в органических минералах». Ангеванде Хеми . 49 (38): 682–686. Бибкод : 1936АнгЧ..49..682Т. дои : 10.1002/ange.19360493803. ISSN  1521-3757.
  8. ^ abcde Гейнс, SM (2008). Эхо жизни: что ископаемые молекулы раскрывают об истории Земли . Oxford University Press, США.
  9. ^ ab Woese, Carl R.; Fox, George E. (1977-11-01). "Филогенетическая структура прокариотического домена: первичные царства". Труды Национальной академии наук . 74 (11): 5088–5090. Bibcode :1977PNAS...74.5088W. doi : 10.1073/pnas.74.11.5088 . ISSN  0027-8424. PMC 432104 . PMID  270744. 
  10. ^ "Геобиология". Геобиология . doi :10.1111/(issn)1472-4669.
  11. ^ "Редакторы Biogeosciences обсуждают успех журнала - ScienceWatch.com - Thomson Reuters". archive.sciencewatch.com . Reuters . Получено 20 мая 2016 г. .
  12. ^ "Gordon Research Conferences - Подробности конференции - Геобиология". www.grc.org . Получено 20 мая 2016 г.
  13. ^ Эрлих, Генри Лутц; Ньюман, Дайан К.; Капплер, Андреас (15 октября 2015 г.). Геомикробиология Эрлиха, шестое издание. ЦРК Пресс. ISBN 9781466592414.
  14. ^ Беккер, Андрей (01 января 2014 г.). «Великое событие оксигенации». В Амилсе, Рикардо; Гарго, Мюриэль; Кинтанилья, Хосе Серничаро; Кливс, Хендерсон Джеймс; Ирвин, Уильям М.; Пинти, Даниэле; Визо, Мишель (ред.). Энциклопедия астробиологии . Шпрингер Берлин Гейдельберг. стр. 1–9. дои : 10.1007/978-3-642-27833-4_1752-4. ISBN 9783642278334.
  15. ^ Доути, CE; Вольф, А.; Малхи, И. (2013). «Наследие вымирания мегафауны плейстоцена по доступности питательных веществ в Амазонии». Nature Geoscience . 6 (9): 761–764. Bibcode : 2013NatGe...6..761D. doi : 10.1038/ngeo1895.[ постоянная мертвая ссылка ]
  16. ^ Баттерфилд, Нью-Джерси (2011). «Животные и изобретение фанерозойской системы Земли». Тенденции в экологии и эволюции . 26 (2): 81–87. doi :10.1016/j.tree.2010.11.012. PMID  21190752.
  17. ^ Дарвин, Ч. (1859). О происхождении видов Лондон. Великобритания: Джон Мюррей .
  18. ^ Lyons, Timothy W.; Reinhard, Christopher T.; Planavsky, Noah J. (2014). «Подъем кислорода в раннем океане и атмосфере Земли». Nature . 506 (7488): 307–315. Bibcode :2014Natur.506..307L. doi :10.1038/nature13068. PMID  24553238. S2CID  4443958.
  19. ^ abcd Фишер, Вудворд У.; Хемп, Джеймс; Джонсон, Джена Э. (2013-06-28). «Эволюция оксигенного фотосинтеза». Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 44 : 647–683. Bibcode : 2016AREPS..44..647F. doi : 10.1146/annurev-earth-060313-054810 . ISSN  0084-6597.
  20. ^ Холланд, Генрих Д. (2002-11-01). «Вулканические газы, черные курильщики и великое событие окисления». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (21): 3811–3826. Bibcode : 2002GeCoA..66.3811H. doi : 10.1016/S0016-7037(02)00950-X.
  21. ^ Гайяр, Фабрис; Скайллет, Бруно; Арндт, Николас Т. (2011). «Атмосферная оксигенация, вызванная изменением давления вулканической дегазации» (PDF) . Nature . 478 (7368): 229–232. Bibcode :2011Natur.478..229G. doi :10.1038/nature10460. PMID  21993759. S2CID  205226436.
  22. ^ Anbar, Ariel D.; Duan, Yun; Lyons, Timothy W.; Arnold, Gail L.; Kendall, Brian; Creaser, Robert A.; Kaufman, Alan J.; Gordon, Gwyneth W.; Scott, Clinton (28.09.2007). «Вдох кислорода перед великим событием окисления?». Science . 317 (5846): 1903–1906. Bibcode :2007Sci...317.1903A. doi :10.1126/science.1140325. ISSN  1095-9203. PMID  17901330. S2CID  25260892.
  23. ^ Киршвинк, Джозеф Л.; Копп, Роберт Э. (27.08.2008). «Палеопротерозойские ледяные дома и эволюция ферментов, опосредующих кислород: аргументы в пользу позднего происхождения фотосистемы II». Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 363 (1504): 2755–2765. doi :10.1098/rstb.2008.0024. ISSN  0962-8436. PMC 2606766 . PMID  18487128. 
  24. ^ Сверенский, Димитрий А.; Ли, Намхей (2010-02-01). «Великое окислительное событие и минеральное разнообразие». Элементы . 6 (1): 31–36. doi :10.2113/gselements.6.1.31. ISSN  1811-5209.
  25. ^ Джонсон, Джена Э.; Герфейд, Айя; Лэмб, Майкл П.; Фишер, Вудворд В. (2014). «Ограничения O 2 из палеопротерозойского детритового пирита и уранинита». Бюллетень Геологического общества Америки . 126 (5–6): 813–830. Bibcode : 2014GSAB..126..813J. doi : 10.1130/b30949.1.
  26. ^ Cloud, P. (1973). «Палеоэкологическое значение полосчатой ​​железистой формации». Экономическая геология . 68 (7): 1135–1143. Bibcode : 1973EcGeo..68.1135C. doi : 10.2113/gsecongeo.68.7.1135.
  27. ^ Цзяо, Юнцинь; Капплер, Андреас; Кроал, Лора Р.; Ньюман, Дайан К. (2005-08-01). «Выделение и характеристика генетически управляемой фотоавтотрофной Fe(II)-окисляющей бактерии, штамм Rhodopseudomonas palustris TIE-1». Прикладная и экологическая микробиология . 71 (8): 4487–4496. Bibcode : 2005ApEnM..71.4487J. doi : 10.1128/AEM.71.8.4487-4496.2005. ISSN  0099-2240. PMC 1183355. PMID 16085840  . 
  28. ^ Crowe, Sean A.; Jones, CarriAyne; Katsev, Sergey; Magen, Cédric; O'Neill, Andrew H.; Sturm, Arne; Canfield, Donald E.; Haffner, G. Douglas; Mucci, Alfonso (14.10.2008). «Фотоферротрофы процветают в аналоге архейского океана». Труды Национальной академии наук . 105 (41): 15938–15943. Bibcode : 2008PNAS..10515938C. doi : 10.1073/pnas.0805313105 . ISSN  0027-8424. PMC 2572968. PMID 18838679  . 
  29. ^ Капплер, Андреас; Паскеро, Клаудия; Конхаузер, Курт О.; Ньюман, Дайан К. (2005). «Отложение полосчатых железистых образований аноксигенными фототрофными бактериями, окисляющими Fe(II)». Геология . 33 (11): 865. Bibcode : 2005Geo....33..865K. doi : 10.1130/g21658.1.
  30. ^ ab Konhauser, Kurt O.; Hamade, Tristan; Raiswell, Rob; Morris, Richard C.; Ferris, F. Grant; Southam, Gordon; Canfield, Donald E. (2002-12-01). "Могли ли бактерии образовать докембрийские полосчатые железистые формации?". Geology . 30 (12): 1079–1082. Bibcode : 2002Geo....30.1079K. doi : 10.1130/0091-7613(2002)030<1079:CBHFTP>2.0.CO;2. ISSN  0091-7613.
  31. ^ Cairns-Smith, AG (1978-12-21). "Фотохимия докембрийского раствора, обратная сегрегация и полосчатые железистые образования". Nature . 276 (5690): 807–808. Bibcode :1978Natur.276..807C. doi :10.1038/276807a0. S2CID  4315423.
  32. ^ Фаркуар, null; Бао, null; Тименс, null (2000-08-04). "Атмосферное влияние самого раннего цикла серы на Земле". Science . 289 (5480): 756–759. Bibcode :2000Sci...289..756F. doi :10.1126/science.289.5480.756. ISSN  1095-9203. PMID  10926533. S2CID  12287304.
  33. ^ Копп, Роберт Э.; Киршвинк, Джозеф Л.; Хилберн, Айзек А.; Нэш, Коди З. (2005-08-09). «Палеопротерозойская снежная Земля: климатическая катастрофа, вызванная эволюцией кислородного фотосинтеза». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (32): 11131–11136. Bibcode : 2005PNAS..10211131K. doi : 10.1073/pnas.0504878102 . ISSN  0027-8424. PMC 1183582. PMID 16061801  . 
  34. ^ Pan, N.; Imlay, JA (2001-03-01). «Как кислород подавляет центральный метаболизм у облигатного анаэроба Bacteroides thetaiotaomicron». Молекулярная микробиология . 39 (6): 1562–1571. doi : 10.1046/j.1365-2958.2001.02343.x . ISSN  0950-382X. PMID  11260473.
  35. ^ Паттерсон, Клэр (1 октября 1956). «Эпоха метеоритов и Земли». Geochimica et Cosmochimica Acta . 10 (4): 230–237. Бибкод : 1956GeCoA..10..230P. дои : 10.1016/0016-7037(56)90036-9.
  36. ^ Wilde, SA; Valley, JW; Peck, WH; Graham, CM (2001-01-11). «Доказательства существования континентальной коры и океанов на Земле 4,4 млрд лет назад по данным детритовых цирконов». Nature . 409 (6817): 175–178. Bibcode :2001Natur.409..175W. doi :10.1038/35051550. ISSN  0028-0836. PMID  11196637. S2CID  4319774.
  37. ^ Tarduno, John A.; Blackman, Eric G.; Mamajek, Eric E. (2014-08-01). «Обнаружение старейшего геодинамо и сопутствующего экранирования от солнечного ветра: последствия для обитаемости». Physics of the Earth and Planetary Interiors . 233 : 68–87. arXiv : 1502.04410 . Bibcode : 2014PEPI..233...68T. doi : 10.1016/j.pepi.2014.05.007. S2CID  118656570.
  38. ^ Ларсон, Роджер Л.; Хильде, Томас WC (1975-06-10). «Пересмотренная шкала времени магнитных инверсий для раннего мела и поздней юры». Журнал геофизических исследований . 80 (17): 2586–2594. Bibcode : 1975JGR....80.2586L. doi : 10.1029/JB080i017p02586. ISSN  2156-2202.
  39. ^ Карри, JA; Шрамм, JL; Эберт, EE (1996-01-01). "Механизм обратной связи между морским льдом и альбедо климата". Обзор океанографической литературы . 2 (43). ISSN  0967-0653.
  40. ^ Walker, James CG; Hays, PB; Kasting, JF (1981-10-20). «Механизм отрицательной обратной связи для долгосрочной стабилизации температуры поверхности Земли». Journal of Geophysical Research: Oceans . 86 (C10): 9776–9782. Bibcode : 1981JGR....86.9776W. doi : 10.1029/JC086iC10p09776. ISSN  2156-2202.
  41. ^ Фойлнер, Георг (2012-06-01). "Проблема слабого молодого Солнца". Обзоры геофизики . 50 (2): RG2006. arXiv : 1204.4449 . Bibcode : 2012RvGeo..50.2006F. doi : 10.1029/2011RG000375. ISSN  1944-9208. S2CID  119248267.
  42. ^ "Что такое ген?". Genetics Home Reference . Получено 2016-05-26 .
  43. ^ abc Nei, M., & Kumar, S. (2000). Молекулярная эволюция и филогенетика . Oxford university press.
  44. ^ Смит, Эндрю Б.; Петерсон, Кевин Дж. (2002-01-01). «Датирование времени происхождения основных клад: молекулярные часы и ископаемая летопись». Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 30 (1): 65–88. Bibcode : 2002AREPS..30...65S. doi : 10.1146/annurev.earth.30.091201.140057.
  45. ^ Добжанский, Феодосий (1973-03-01). «Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции». Американский учитель биологии . 35 (3): 125–129. CiteSeerX 10.1.1.324.2891 . doi :10.2307/4444260. ISSN  0002-7685. JSTOR  4444260. S2CID  207358177. 
  46. ^ Хансон, RS; Хансон, TE (1996-06-01). «Метанотрофные бактерии». Microbiological Reviews . 60 (2): 439–471. doi :10.1128/MMBR.60.2.439-471.1996. ISSN  0146-0749. PMC 239451. PMID 8801441  . 
  47. ^ Холмс, Эндрю Дж.; Оуэнс, Ник Дж. П.; Мюррелл, Дж. Колин (1995-01-01). «Обнаружение новых морских метанотрофов с использованием филогенетических и функциональных генных зондов после обогащения метаном». Микробиология . 141 (8): 1947–1955. doi : 10.1099/13500872-141-8-1947 . PMID  7551057.
  48. ^ Луэскен, Франциска А.; Чжу, Баоли; Ален, Тео А. ван; Батлер, Маргарет К.; Диас, Марина Родригес; Сон, Понкын; Кэмп, Хууб Дж.М. Опубликовано; Джеттен, Майк С.М.; Эттвиг, Катарина Ф. (1 июня 2011 г.). «Праймеры pmoA для обнаружения анаэробных метанотрофов». Прикладная и экологическая микробиология . 77 (11): 3877–3880. Бибкод : 2011ApEnM..77.3877L. дои : 10.1128/AEM.02960-10. ISSN  0099-2240. ПМК 3127593 . ПМИД  21460105. 
  49. ^ ab Riesenfeld, Christian S.; Schloss, Patrick D.; Handelsman, Jo (2004-01-01). «Метагеномика: геномный анализ микробных сообществ». Annual Review of Genetics . 38 : 525–552. CiteSeerX 10.1.1.526.482 . doi : 10.1146/annurev.genet.38.072902.091216. ISSN  0066-4197. PMID  15568985. 
  50. ^ ab Grotzinger, John P.; Knoll, Andrew H. (1999). «СТРОМАТОЛИТЫ В ДОКЕМБРИЙСКИХ КАРБОНАТАХ: Эволюционные вехи или экологические индикаторы?». Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 27 (1): 313–358. Bibcode : 1999AREPS..27..313G. doi : 10.1146/annurev.earth.27.1.313. PMID  11543060.
  51. ^ Хофманн, Х. Дж.; Грей, К.; Хикман, А. Х.; Торп, Р. И. (1999-08-01). "Хофманн, Х. Дж., Грей, К., Хикман, А. Х. и Торп, Р. И. Происхождение конических строматолитов возрастом 3,45 млрд лет в группе Уорравуна, Западная Австралия. Geol. Soc. Am. Bull. 111, 1256-1262". Бюллетень Геологического общества Америки . 111 (8): 1256–1262. Bibcode : 1999GSAB..111.1256H. doi : 10.1130/0016-7606(1999)111<1256:OOGCSI>2.3.CO;2. ISSN  0016-7606.
  52. ^ Берг, Дж. М., Тимочко, Дж. Л., и Страйер, Л. (2002). Биохимия. 5-й.
  53. ^ abc L, Slonczewski, Joan; W, Foster, John (2013-10-01). Микробиология: развивающаяся наука: третье международное студенческое издание. WW Norton & Company. ISBN 9780393923216.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  54. ^ Стабильные изотопы и углеродно-водные связи растений. Elsevier. 2012-12-02. ISBN 9780080918013.
  55. ^ ab McCollom, Thomas M. (2013-01-01). «Миллер-Юри и дальше: что мы узнали о пребиотических реакциях органического синтеза за последние 60 лет?». Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 41 (1): 207–229. Bibcode : 2013AREPS..41..207M. doi : 10.1146/annurev-earth-040610-133457.
  56. ^ Шарф, Калеб; Вирго, Натанаэль; Кливз, Х. Джеймс; Аоно, Масаши; Обер-Като, Натанаэль; Айдиноглу, Арсев; Барахона, Ана; Барж, Лора М.; Беннер, Стивен А. (2015-12-01). «Стратегия исследования происхождения жизни». Астробиология . 15 (12): 1031–1042. Bibcode : 2015AsBio..15.1031S. doi : 10.1089/ast.2015.1113. ISSN  1531-1074. PMC 4683543. PMID  26684503 . 
  57. ^ "NASA Astrobiology". astrobiology.nasa.gov . Получено 2016-05-26 .
  58. ^ Лавлок, Джеймс (28.09.2000). Гея: Новый взгляд на жизнь на Земле. OUP Oxford. ISBN 9780191606694.
  59. ^ Шок, Эверетт Л.; Бойд, Эрик С. (2015-12-01). «Принципы геобиохимии». Элементы . 11 (6): 395–401. doi :10.2113/gselements.11.6.395. ISSN  1811-5209.
  60. ^ Druschel, Gregory K.; Kappler, Andreas (2015-12-01). «Геомикробиология и микробная геохимия». Elements . 11 (6): 389–394. doi :10.2113/gselements.11.6.389. hdl : 1805/10102 . ISSN  1811-5209.
  61. ^ "Геомикробиология". Университет Хельсинки . 2017-01-27 . Получено 2020-02-09 .
  62. ^ Брокс, Йохен Дж.; Логан, Грэм А.; Бьюик, Роджер; Вызов, Роджер Э. (13 августа 1999 г.). «Архейские молекулярные окаменелости и раннее появление эукариотов». Наука . 285 (5430): 1033–1036. Бибкод : 1999Sci...285.1033B. CiteSeerX 10.1.1.516.9123 . дои : 10.1126/science.285.5430.1033. ISSN  0036-8075. ПМИД  10446042. 
  63. ^ Нолл, Эндрю Х. (2015-03-22). Жизнь на молодой планете: первые три миллиарда лет эволюции на Земле. Princeton University Press. ISBN 9781400866045.
  64. ^ Эваристо, Хаивиме; Ясечко, Скотт; Макдоннелл, Джеффри Дж. (2015). «Глобальное разделение транспирации растений от грунтовых вод и речного стока». Nature . 525 (7567): 91–94. Bibcode :2015Natur.525...91E. doi :10.1038/nature14983. PMID  26333467. S2CID  4467297.
  65. ^ Good, Stephen P.; Noone, David; Bowen, Gabriel (2015-07-10). «Гидрологическая связанность ограничивает разделение глобальных потоков наземной воды». Science . 349 (6244): 175–177. Bibcode :2015Sci...349..175G. doi : 10.1126/science.aaa5931 . ISSN  0036-8075. PMID  26160944.

Внешние ссылки