Kaip gyvūnų elgesio pasikeitimas nulėmė vandenynų chemiją bei žemės plutos sudėtį
5 views
Skip to first unread message
Andrej S
May 27, 2009, 5:29:28 AM5/27/09
to G-mokslai
Kaip jau minėta anksčiau G-moksluose, gyvūnų pėdsakinių fosilijų tyrimas yra svarbi tyrimų sritis, kuri leidžia atskleisti sąsajas tarp organizmų ir litosferos (Jūrų skorpionai atsiskyrėliai - pirmieji įrankių naudotojai žemėje ). Taigi, naujausiame PNAS žurnalo numeryje, Danijos ir JAV mokslininkai pateikė įdomu geobiologinį tyrimą, kuriame atskleidžiamos sąsajos tarp bioturbatorių (dugno nuosėdų maišytojų) aktyvumo ir sulfatų koncentracijos vandenynuose. Autoriai savo tyrime paminėjo dar ir tai kad organizmų, kaip geobiologinių agentų svarbą pastebėjo dar Čarlzas Darvinas, nes jis pirmasis iškėlė mintis apie kirminų milžinišką reikšmę organinės medžiagos dirvožemyje perdirbimui bei nuosėdų maišymui.
Kaip žinia, šiuo metu sulfato anijonų koncentracija vandenyne, vidutiniškai siekia apie 28 mM (antra po chlorido). Pagrindinis jo šaltinis vandenynuose yra upių nuotekis ir mažesniu laipsniu vulkaniniai procesai. Iš vandens jis pasišalina dviem pagrindiniais būdais: visu pirma pirito (FeS2), veikiant sulfatus redukuojančioms bakterijoms, arba daugiausia gipso (CaSO4*5H2O) pavidalu evaporitinėse sistemose (sūriose, karšto klimato lagūnose). Taigi, vykstant garavimo ir tuo pačių jonų koncentracijos procesams, sulfatų anijonai jungdamiesi su kalcio katijonais iškrenta patys pirmieji, ir šis procesas vyksta tuomet kai šių jonų koncentracijų sandauga viršija 23 mM^2, tuo tarpu dabar ji siekia apie 280 mM^2 - daugiau nei būtina. Kaip yra nustatyta iš ankstesnių tyrimų, kalcio jonų koncentracija vandenynuose per paskutinius 550 mln. metų keitėsi nuo 10 iki 40 mM, taigi tam kad pasiekti kritinę jonų koncentracijos sandaugos reikšmę, reikėtu viso labo nuo 0,5 iki 2 mM sulfato jono koncentracijos. Gipso iškritimas yra apribotas šiomis koncentracijos reikšmėmis.
Tam kad nustatyti kokia buvo praeities vandenynuose sulfato jonų koncentracija, buvo pasitelkti du metodai. Vienas iš jų - tai gipso klodų monitoringas, kai skaičiuojama kokiuose laikotarpiuose kiek susiklostė gipso ir antras taip vadinamas Fsulfidų santykis, kuris apskaičiuojamas pagal to pačio amžiaus ir cheminės sistemos 34S ir 32S izotopų santykius sulfiduose ir sulfatuose, ir jeigu jis yra mažesnis nei 1, tuomet tuo metu galėjo vykti gipso sedimentacija. Kaip matoma, pagal apskaičiavimus autorių sudarytuose grafikuose (Sulfidu_ir_Sulfatu_santikiai_per_Zemes_istorija) (jis beje yra orientuotas iš dabarties (0 Ga) į praeitį (4 Ga)), kad sulfatų koncentracija iki fanerozojaus buvo labai žema, kas veikiausiai nulėmė tai kad seniausiuose nuogulose, beveik nerandama gipsų klodų. Fsulfidų santykis šiame grafike, matoma kad didžiąją istorijos dali liko apytikriai lygus 1 (ties gipso sedimentacijos riba), tuo tarpu laikotarpyje tarp 700 ir 636 mln. metų, šio rodiklio reikšmės netgi netilpo į skalę (2,9 ir 9,3, atitinkamuose binuose), kas kaip manoma buvo susiję su globaliais apledėjimais kai buvo sušalęs visas žemės paviršius ir nevyko upių nuotėkis ir tuo pačių sulfatų papildimas. Tuo tarpu einant toliau laiku, šis rodiklis stipriai sumažėja prasidėjus Fanerozojaus eonui, kas nurodo į padidėjusį gipso klodų susidarymo tikėtinumą (kas šiaip ir yra stebima geologiniuose pjūviuose). Kaip manoma, pagrindiniai sulfatų koncentracijos padidėjimo įvykiai yra susiję su deguonies koncentracijos padidėjimo įvykiais, nes kaip manoma padidėjus deguonies koncentracijai, jis nedelsiant pradėjo reaguoti su kontinentuose tuo metu buvusiais dideliais neredukuoto FeS (pirito) klodais, kas automatiškai padidintu sulfatų pritekėjimą su upių vandenių į vandenynus. Pirmasis įvykis atitiktu Didįjį Oksidacijos Įvykį prieš 2,4 mlrd. metų (Oxygen Catastrophe), antrasis - tai Fanerozojaus eono pradžią, prieš 545 mln. metų. Tuo tarpų antrojo oksidacijos įvykio poveikis geocheminiai vandenynų sudėčiai, buvo neproporcingai didesnis dar ir dėl to kad tuo metu atsirado gyvūnai, kurie patyrė kambro periode didžiausią visų laikų diversifikaciją (Kambro sprogimas) (G-moksluose:Kelios Geros Knygos [Nature of History] ). Gyvūnai maišydami vandenyno dugno nuosėdas, kur kaupiasi bakterijų redukuoti sulfidai, skatina tų nuosėdų oksidaciją ir tokiu būdu grąžina sierą atgal į vandenynų cheminę sistemą sulfatų pavidalų, dar labiau padidinant jų koncentraciją. Tuo tarpu gipsas iškrenta evaporitinėse sistemose kaip sulfatų perteklius vandenynuose. Šiam tikslui autoriai sukūrė pastovios būsenos balansinį sulfatų prinešimą, jų sedimentacijos, redukcijos bei bioturbacijos poveikio modelį, tam kad patikrinti kaip pasikeistu šios biogeocheminės sistemos evoliucija, įvedus į ją, arba pašalinus iš jos bioturbatorius. Kaip parodė modeliavimo tyrimai, esant priimtiems parametrams, kurie geriausiai atitinka realybės duomenys, sulfatų koncentracija vandenynuose prasidėjus bioturbacijai (nuosėdų maišymui organizmais), sulfatų koncentracija pasiektu fanerozojinį lygį, kai galėtu pradėti aktyviai kauptis gipsas, kažkur po 20 milijonų metų (Bioturbatoriu_poveikis_gipso_sedimentacijai - parodyti 3 skirtingi scenarijai su skirtingais "y" eksponentinio faktoriaus reikšmėmis, kuris nulemia kaip didėjant gyliui, einant į nuosėdas, mažėja sulfatų koncentracija, kaip redukuojančių bakterijų maistas).
Šie modeliavimo tyrimai gan gerai aprašo tai kas matoma realybėje. Nes trimačiai bioturbatoriai pradėjo savo veiklą kambro periode (prieš 542 mln. metų), tuo tarpu dideli gipso klodai pradėjo atsirasti tiktai viršutiniame ordoviko periode (prieš 445 - 460 mln. metų). Aišku egzistuoja ir neatitikimų su modeliu, nes egzistuoja ir kiti faktoriai, be bioturbatorių, kurie galėjo kontroliuoti sulfatų koncentraciją vandenynuose. Tarp jų gali būti organinės medžiagos įnešimo intensyvumas (reikalingas kaip energijos šaltinis sulfatų redukcijoje), nuosėdų kaupimosį greičiai, kurie įtakotu pirito palaidojimo (išnešimo iš sistemos) greičius, vandenyno lygio pokyčiai, kurie įtakotu neseniai susiklosčiusių sulfidų arba sulfatų pakartotiną denudaciją. Tačiau nepaisant visų šių veiksnių, autorių nuomone bioturbacija buvo pagrindinis valdantysis faktorius, kuris nulėmė sulfatų koncentracijos padidėjimo ir kaip to pasekmę - didelių evaporitinių gipso storymių susidarymą Fanerozojuje. Šis modelis gali būti testuojamas naudojant masinius išmirimus kaip bioturbatorių kiekio mažintojus (kas ir yra matoma didžiausio masinio išmirimo Permo-Triaso riboje pavyzdžiu, kai žymiai sumažėjo būdingas delta34S sieros izotopų santykis).
Tam kad įsitikinti kokio masto yra biogeocheminiai procesai, galima paminėti kad Baltijos sedimentaciniame baseine, devono periodo klodose Latvijoje randamos iki 21 metro storio gipso sanklodos, bei permo periodo gipso ir anhidrito (dehidruoto gipso) klodai Lietuvoje prie Kauno siekia iki 41 m storį ir pradžioje galėjo užimti didžiulius plotus.
Nuorodos:
Donald E. Canfield and James Farquhar. Animal evolution, bioturbation, and the sulfate concentration of the oceans. PNAS 2009 106:8123-8127 - Straipsnis PNAS žurnale apie gyvūnų elgesio įtaką sulfatų koncentracijai vandenynuose.
Paškevičius Juozas. Baltijos respublikų geologija. Valstybinis leidybos centras. Vilnius, 1994 - Baltijos regiono geologinę sandarą apibendrinantis darbas.
--
AS
Kaip žinia, šiuo metu sulfato anijonų koncentracija vandenyne, vidutiniškai siekia apie 28 mM (antra po chlorido). Pagrindinis jo šaltinis vandenynuose yra upių nuotekis ir mažesniu laipsniu vulkaniniai procesai. Iš vandens jis pasišalina dviem pagrindiniais būdais: visu pirma pirito (FeS2), veikiant sulfatus redukuojančioms bakterijoms, arba daugiausia gipso (CaSO4*5H2O) pavidalu evaporitinėse sistemose (sūriose, karšto klimato lagūnose). Taigi, vykstant garavimo ir tuo pačių jonų koncentracijos procesams, sulfatų anijonai jungdamiesi su kalcio katijonais iškrenta patys pirmieji, ir šis procesas vyksta tuomet kai šių jonų koncentracijų sandauga viršija 23 mM^2, tuo tarpu dabar ji siekia apie 280 mM^2 - daugiau nei būtina. Kaip yra nustatyta iš ankstesnių tyrimų, kalcio jonų koncentracija vandenynuose per paskutinius 550 mln. metų keitėsi nuo 10 iki 40 mM, taigi tam kad pasiekti kritinę jonų koncentracijos sandaugos reikšmę, reikėtu viso labo nuo 0,5 iki 2 mM sulfato jono koncentracijos. Gipso iškritimas yra apribotas šiomis koncentracijos reikšmėmis.
Tam kad nustatyti kokia buvo praeities vandenynuose sulfato jonų koncentracija, buvo pasitelkti du metodai. Vienas iš jų - tai gipso klodų monitoringas, kai skaičiuojama kokiuose laikotarpiuose kiek susiklostė gipso ir antras taip vadinamas Fsulfidų santykis, kuris apskaičiuojamas pagal to pačio amžiaus ir cheminės sistemos 34S ir 32S izotopų santykius sulfiduose ir sulfatuose, ir jeigu jis yra mažesnis nei 1, tuomet tuo metu galėjo vykti gipso sedimentacija. Kaip matoma, pagal apskaičiavimus autorių sudarytuose grafikuose (Sulfidu_ir_Sulfatu_santikiai_per_Zemes_istorija) (jis beje yra orientuotas iš dabarties (0 Ga) į praeitį (4 Ga)), kad sulfatų koncentracija iki fanerozojaus buvo labai žema, kas veikiausiai nulėmė tai kad seniausiuose nuogulose, beveik nerandama gipsų klodų. Fsulfidų santykis šiame grafike, matoma kad didžiąją istorijos dali liko apytikriai lygus 1 (ties gipso sedimentacijos riba), tuo tarpu laikotarpyje tarp 700 ir 636 mln. metų, šio rodiklio reikšmės netgi netilpo į skalę (2,9 ir 9,3, atitinkamuose binuose), kas kaip manoma buvo susiję su globaliais apledėjimais kai buvo sušalęs visas žemės paviršius ir nevyko upių nuotėkis ir tuo pačių sulfatų papildimas. Tuo tarpu einant toliau laiku, šis rodiklis stipriai sumažėja prasidėjus Fanerozojaus eonui, kas nurodo į padidėjusį gipso klodų susidarymo tikėtinumą (kas šiaip ir yra stebima geologiniuose pjūviuose). Kaip manoma, pagrindiniai sulfatų koncentracijos padidėjimo įvykiai yra susiję su deguonies koncentracijos padidėjimo įvykiais, nes kaip manoma padidėjus deguonies koncentracijai, jis nedelsiant pradėjo reaguoti su kontinentuose tuo metu buvusiais dideliais neredukuoto FeS (pirito) klodais, kas automatiškai padidintu sulfatų pritekėjimą su upių vandenių į vandenynus. Pirmasis įvykis atitiktu Didįjį Oksidacijos Įvykį prieš 2,4 mlrd. metų (Oxygen Catastrophe), antrasis - tai Fanerozojaus eono pradžią, prieš 545 mln. metų. Tuo tarpų antrojo oksidacijos įvykio poveikis geocheminiai vandenynų sudėčiai, buvo neproporcingai didesnis dar ir dėl to kad tuo metu atsirado gyvūnai, kurie patyrė kambro periode didžiausią visų laikų diversifikaciją (Kambro sprogimas) (G-moksluose:Kelios Geros Knygos [Nature of History] ). Gyvūnai maišydami vandenyno dugno nuosėdas, kur kaupiasi bakterijų redukuoti sulfidai, skatina tų nuosėdų oksidaciją ir tokiu būdu grąžina sierą atgal į vandenynų cheminę sistemą sulfatų pavidalų, dar labiau padidinant jų koncentraciją. Tuo tarpu gipsas iškrenta evaporitinėse sistemose kaip sulfatų perteklius vandenynuose. Šiam tikslui autoriai sukūrė pastovios būsenos balansinį sulfatų prinešimą, jų sedimentacijos, redukcijos bei bioturbacijos poveikio modelį, tam kad patikrinti kaip pasikeistu šios biogeocheminės sistemos evoliucija, įvedus į ją, arba pašalinus iš jos bioturbatorius. Kaip parodė modeliavimo tyrimai, esant priimtiems parametrams, kurie geriausiai atitinka realybės duomenys, sulfatų koncentracija vandenynuose prasidėjus bioturbacijai (nuosėdų maišymui organizmais), sulfatų koncentracija pasiektu fanerozojinį lygį, kai galėtu pradėti aktyviai kauptis gipsas, kažkur po 20 milijonų metų (Bioturbatoriu_poveikis_gipso_sedimentacijai - parodyti 3 skirtingi scenarijai su skirtingais "y" eksponentinio faktoriaus reikšmėmis, kuris nulemia kaip didėjant gyliui, einant į nuosėdas, mažėja sulfatų koncentracija, kaip redukuojančių bakterijų maistas).
Šie modeliavimo tyrimai gan gerai aprašo tai kas matoma realybėje. Nes trimačiai bioturbatoriai pradėjo savo veiklą kambro periode (prieš 542 mln. metų), tuo tarpu dideli gipso klodai pradėjo atsirasti tiktai viršutiniame ordoviko periode (prieš 445 - 460 mln. metų). Aišku egzistuoja ir neatitikimų su modeliu, nes egzistuoja ir kiti faktoriai, be bioturbatorių, kurie galėjo kontroliuoti sulfatų koncentraciją vandenynuose. Tarp jų gali būti organinės medžiagos įnešimo intensyvumas (reikalingas kaip energijos šaltinis sulfatų redukcijoje), nuosėdų kaupimosį greičiai, kurie įtakotu pirito palaidojimo (išnešimo iš sistemos) greičius, vandenyno lygio pokyčiai, kurie įtakotu neseniai susiklosčiusių sulfidų arba sulfatų pakartotiną denudaciją. Tačiau nepaisant visų šių veiksnių, autorių nuomone bioturbacija buvo pagrindinis valdantysis faktorius, kuris nulėmė sulfatų koncentracijos padidėjimo ir kaip to pasekmę - didelių evaporitinių gipso storymių susidarymą Fanerozojuje. Šis modelis gali būti testuojamas naudojant masinius išmirimus kaip bioturbatorių kiekio mažintojus (kas ir yra matoma didžiausio masinio išmirimo Permo-Triaso riboje pavyzdžiu, kai žymiai sumažėjo būdingas delta34S sieros izotopų santykis).
Tam kad įsitikinti kokio masto yra biogeocheminiai procesai, galima paminėti kad Baltijos sedimentaciniame baseine, devono periodo klodose Latvijoje randamos iki 21 metro storio gipso sanklodos, bei permo periodo gipso ir anhidrito (dehidruoto gipso) klodai Lietuvoje prie Kauno siekia iki 41 m storį ir pradžioje galėjo užimti didžiulius plotus.
Nuorodos:
Donald E. Canfield and James Farquhar. Animal evolution, bioturbation, and the sulfate concentration of the oceans. PNAS 2009 106:8123-8127 - Straipsnis PNAS žurnale apie gyvūnų elgesio įtaką sulfatų koncentracijai vandenynuose.
Paškevičius Juozas. Baltijos respublikų geologija. Valstybinis leidybos centras. Vilnius, 1994 - Baltijos regiono geologinę sandarą apibendrinantis darbas.
--
AS
Reply all
Reply to author
Forward
0 new messages