Izotopų biogeochemija sako - Žemė pradėjo žaliuoti anksčiau!
64 views
Skip to first unread message
Andrej S
Aug 30, 2009, 1:18:41 PM8/30/09
to G-mokslai
Viename paskutinių "Nature" žurnalo numerių išėjo tyrimas, kuriame mokslininkai aiškinosi deguonies ir anglies izotopų santykių svyravimo priežastis vėlyvajame prekambre. delta13C/12C rodiklis vandenynų ir jūrų karbonatinėse uolienose - tai svarbus globalaus anglies ciklo indikatorius. Kaip mini tyrimo autoriai, šis rodyklis gali padidėti tuomet kai palaidojami dideli 13C izotopu nuskurdinti fotosintetinančių organizmų organinės medžiagos kiekiai, ir gali sumažėti tuomet, kai oksiduojami dideli šios organikos kiekiai arba į biosferą išlaisvinami dideli vandenyno dugne esančių ir 13C izotopu nuskurdinti metano klatratų kiekiai. Anksčiau atlikta labai daug šios santykio analizių Prekambro pabaigos laikotarpyje, stengiantys pagal svyravimų pobūdį atlikti uolienų kompleksų koreliaciją bei nustatyti globalaus anglies ciklo svyravimų pobūdį. Kaip parodė šie tyrimai, vėlyvajame prekambre (pradedant apytiksliai nuo 850 mln. prieš dabartį) šis santykis stipriai sumažėjo. Anksčiau tai buvo interpretuojama kaip beveik visos vandenynų organinės medžiagos oksidacijos laikotarpis, kai beveik buvo nugesęs vandenyno ekosistemų produktyvumas.
Šiuo tyrimu norėta patikrinti alternatyvų izotopinio kitimo paaiškinimą. Kaip rašo autoriai, jūriniai karbonatai aktyviausiai litifikuojasi (patyria kristalinės sandaros transformacijas, kurių pasekoje susidaro kietos uolienos) priekrantės zonoje, kur maišosi jūrinis ir kritulių vanduo. Tų zonų šiuolaikiniai karbonatai, turi ypatingą požymį - jų delta13C/12C rodiklis kovarijuoja su delta18O/16O rodikliu - abu jie yra sumažinti. Taip atsitinka dėl to kad kritulių vanduo yra nuskurdintas 18O izotopu, nes garuojant vandeniui vyksta izotopinis frakcionavimas ir molekules su lengvesniu izotopu su didesne tikimybe patenka į orą ir tuo pačiu vėliau iškrenta ir patenka į sausumos hidrologinę sistemą. O delta13C/12C sumažėja dėl to kad augalai lengviau įsisavina lengvesnį anglies izotopą (irgi izotopinis frakcionavimas, tiktai šiuo atveju biocheminis). Tokiu būdu, kritulių vandenys sumažina bendras šių rodyklių reikšmes priekrantės karbonatuose (dolomituose ir klintyse). Šie kritulių vandenys keičia karbonatų izotopinę sudėtį būtent litifikacijos metu, ir būtent tada kai nukrenta vandens lygis, ir jų poveikis siekia iki 100 metrų gylio. Kaip rodo šiuolaikinių karbonatų duomenys ir palyginimas su prekambro uolienų duomenimis - analogiški trendai matomi ir neoproterozojaus uolienose. Toks kitimo pobūdis nėra susijęs su globalaus anglies ciklo perturbacijomis o atspindi antrinius uolienų susidarymo procesus. Tačiau, šis izotopų santykis gali keistis ir toliau, vykstant uolienų palaidojimui ir karštų fluidų (minerakinėm medžiagom prisotinto vandens) prinešimui. Kurio pasekoje keičiasi deguonies izotopų bet lieka pastovus anglies izotopų santykis (nes požeminio vandens sudėtyje nėra anglies). Šią priklausomybę galite pamatyti prikabintame paveikslėlyje iš straipsnio - litifikacijos_ir_metamorfizmo_poveikis_karbonatu_izotopams.jpg. Šiose diagramose matomos standartizuotos delta18O/16O ir delta13C/12C koordinatės, kur mėlynai pažymėtos jūrinių nepakeistų karbonatų reikšmės, raudonai - litifikuotų ir paveiktų kritulių vandens, o juodai - matamorfinių vandenų. Pav. a - parodyta metamorfinio izotopų pakeitimo kryptis, pav. b - parodyti fanerozoiniai karbanatinių uolienų cementų ir lęšių duomenys, pav. c - fanerozojaus karbonatų duomenys. Autoriai palygino priklausomybes ir karbonatiniuose cementuose bei lęšiuose ir ne tik pačiuose karbonatinėse uolienose, dėl to kad neoproterozoinių uolienų izotopinės analizės buvo koncentruotos į siliciklastines uolienas, kuriose karbonatai surandami būtent kaip tokios papildomos komponentės.
Straipsnyje aiškinama kad būtent toks izotopinio kintamumo pobūdis būdingas ir neoproterozoinių uolienų analizėms (kurių buvo atlikta per 8000). Kas nurodytu kad priekrantės zonoje veikė analogiški geobiologiniai procesai, kai svarbią reikšmę turėjo masyvus nuskurdintos 13C izotopu, biogeninės prigimties, anglies prinešimas iš sausumos. O kai kurios reikšmės įeinančios į šių dviejų izotopinių santykių "uždraustą zoną" aiškinamos kaip retų, regioninės reikšmės, metano oksidacijos įvykių pasekmė - Izotopai_Fanerozojaus_ir_Neoproterozojaus.jpg. Šiuose grafikuose iš straipsnio parodyti izotopinių santykių duomenys iš a - Sibiro ir Kinijos, kur buvo nustatyta kad "uždraustoje zonoje" esančios reikšmės susijusios su metano oksidacija; b - neoproterozojaus duomenys; c - neoproterozojaus ir fanerozojaus (žalios spalvos taškai) kartu, kurių pasiskirstymo intervalai yra statistiškai neatskiriami.
Šie duomenys, kaip autoriai rašo, rodo visu pirma kad deguonies izotopų santykiai prieš 850 mln. metu buvo panašus kaip ir dabar (vidutinė hidrosferos izotopinė sudėtis buvo identiška) ir tai kad jau tuo metu vyko organinės medžiagos prinešimas iš sausumos, kas nurodo į galimas sausumines fotosintetinančių organizmų bendrijas vėlyvajame prekambre. Taigi, šitoks paaiškinimas nereikalauja stiprių globalaus anglies ciklo perturbacijų paaiškinimo, o sulyginą matomą pobūdi su šiuolaikiniu. Tačiau iškyla kitas klausimas - kas buvo tie pirmieji sausumos gyventojai? Juk kiek yra žinoma, tuo meto uolienose dar nerasta sausuminių organizmų fosilijų, nors kitokie molekuliniai ir mineraloginiai tyrimai nurodo į tokių organizmų buvimo galimybę sausumoje mažiausiai jau prieš 1 mlrd. metų. Kiti, jau paleontologiniai įrodymai sako, kad jau nuo 600 mln. metų prieš dabartį, sausumoje galėjo egzistuoti įvairių protistų, samanų, kerpsamanių, skerpių ir grybų primityvi biota. Jeigų tai yra tiesa, tuomet autoriai sako kad prieš 850 mln. metų buvusiame laikotarpyje karbonatai, litifikacijos metu neturėjo patirti 13C izotopo nuskurdinimą, dėl nepakankamo organinės prigimties anglies prinešimo poveikio. Toks pobūdis matomas iš tikrųjų, nes ankstesniame laikotarpyje dauguma reikšmių po litifikacijos yra daug aukštesnės. Sakoma kad būtent šitokia fotositetinančių sausuminių organizmų veikla inicijavo anglies išėmimą iš atmosferos ir paspartino jos laidojimo procesą litosferoje, taip palaipsniui didinant O2 kiekį atmosferoje. Be šio efekto, turėjo paspartėti ir (bio)-cheminis uolienų dūlėjimas, kurio pasekoje į vandenynus turėjo patekti vis didesni biogeninių elementų kiekiai, kas galėjo paspartinti tolimesnį organizmų klestėjimą jūrose.
Šis straipsnis rodo tai kad, geochemijos, hidrogeologijos ir litologijos duomenys gali padėti išaiškinti ne tik gilias žemės mokslų bet ir biologijos (šiuo atveju, jos paleontologinės pusės) problemas, aiškinantis įvairios prigimties procesų sąsajas žemės sistemoje.
Nuoroda:
Knauth L. Paul & Martin J. Kennedy. The late Precambrian greening of the Earth. Nature 460, 728-732 (6 August 2009) | doi:10.1038/nature08213 - Straipsnis "Nature" žurnale apie vėlyvojo prekambro ir fanerozojaus karbonatų izotopinius tyrimus, bei galimą tų pokyčių sąsają su sausumos sužaliavimu.
G-moksluose geobiologinėmis temomis:
Futuroklimatologija: Atmosferos slėgio pokyčiai, kaip galimas "gelbėjimosį ratas" ateities biosferoje
Kaip gyvūnų elgesio pasikeitimas nulėmė vandenynų chemiją bei žemės plutos sudėtį
Nauji mechanizmai, galingiausiam masiniam išmirimui gyvybės istorijoje
Paleontologinis Blokbasteris II - organizmų maksimalaus dydžio evoliucija per paskutinius 3,5 mlrd. metų
--
AS
Šiuo tyrimu norėta patikrinti alternatyvų izotopinio kitimo paaiškinimą. Kaip rašo autoriai, jūriniai karbonatai aktyviausiai litifikuojasi (patyria kristalinės sandaros transformacijas, kurių pasekoje susidaro kietos uolienos) priekrantės zonoje, kur maišosi jūrinis ir kritulių vanduo. Tų zonų šiuolaikiniai karbonatai, turi ypatingą požymį - jų delta13C/12C rodiklis kovarijuoja su delta18O/16O rodikliu - abu jie yra sumažinti. Taip atsitinka dėl to kad kritulių vanduo yra nuskurdintas 18O izotopu, nes garuojant vandeniui vyksta izotopinis frakcionavimas ir molekules su lengvesniu izotopu su didesne tikimybe patenka į orą ir tuo pačiu vėliau iškrenta ir patenka į sausumos hidrologinę sistemą. O delta13C/12C sumažėja dėl to kad augalai lengviau įsisavina lengvesnį anglies izotopą (irgi izotopinis frakcionavimas, tiktai šiuo atveju biocheminis). Tokiu būdu, kritulių vandenys sumažina bendras šių rodyklių reikšmes priekrantės karbonatuose (dolomituose ir klintyse). Šie kritulių vandenys keičia karbonatų izotopinę sudėtį būtent litifikacijos metu, ir būtent tada kai nukrenta vandens lygis, ir jų poveikis siekia iki 100 metrų gylio. Kaip rodo šiuolaikinių karbonatų duomenys ir palyginimas su prekambro uolienų duomenimis - analogiški trendai matomi ir neoproterozojaus uolienose. Toks kitimo pobūdis nėra susijęs su globalaus anglies ciklo perturbacijomis o atspindi antrinius uolienų susidarymo procesus. Tačiau, šis izotopų santykis gali keistis ir toliau, vykstant uolienų palaidojimui ir karštų fluidų (minerakinėm medžiagom prisotinto vandens) prinešimui. Kurio pasekoje keičiasi deguonies izotopų bet lieka pastovus anglies izotopų santykis (nes požeminio vandens sudėtyje nėra anglies). Šią priklausomybę galite pamatyti prikabintame paveikslėlyje iš straipsnio - litifikacijos_ir_metamorfizmo_poveikis_karbonatu_izotopams.jpg. Šiose diagramose matomos standartizuotos delta18O/16O ir delta13C/12C koordinatės, kur mėlynai pažymėtos jūrinių nepakeistų karbonatų reikšmės, raudonai - litifikuotų ir paveiktų kritulių vandens, o juodai - matamorfinių vandenų. Pav. a - parodyta metamorfinio izotopų pakeitimo kryptis, pav. b - parodyti fanerozoiniai karbanatinių uolienų cementų ir lęšių duomenys, pav. c - fanerozojaus karbonatų duomenys. Autoriai palygino priklausomybes ir karbonatiniuose cementuose bei lęšiuose ir ne tik pačiuose karbonatinėse uolienose, dėl to kad neoproterozoinių uolienų izotopinės analizės buvo koncentruotos į siliciklastines uolienas, kuriose karbonatai surandami būtent kaip tokios papildomos komponentės.
Straipsnyje aiškinama kad būtent toks izotopinio kintamumo pobūdis būdingas ir neoproterozoinių uolienų analizėms (kurių buvo atlikta per 8000). Kas nurodytu kad priekrantės zonoje veikė analogiški geobiologiniai procesai, kai svarbią reikšmę turėjo masyvus nuskurdintos 13C izotopu, biogeninės prigimties, anglies prinešimas iš sausumos. O kai kurios reikšmės įeinančios į šių dviejų izotopinių santykių "uždraustą zoną" aiškinamos kaip retų, regioninės reikšmės, metano oksidacijos įvykių pasekmė - Izotopai_Fanerozojaus_ir_Neoproterozojaus.jpg. Šiuose grafikuose iš straipsnio parodyti izotopinių santykių duomenys iš a - Sibiro ir Kinijos, kur buvo nustatyta kad "uždraustoje zonoje" esančios reikšmės susijusios su metano oksidacija; b - neoproterozojaus duomenys; c - neoproterozojaus ir fanerozojaus (žalios spalvos taškai) kartu, kurių pasiskirstymo intervalai yra statistiškai neatskiriami.
Šie duomenys, kaip autoriai rašo, rodo visu pirma kad deguonies izotopų santykiai prieš 850 mln. metu buvo panašus kaip ir dabar (vidutinė hidrosferos izotopinė sudėtis buvo identiška) ir tai kad jau tuo metu vyko organinės medžiagos prinešimas iš sausumos, kas nurodo į galimas sausumines fotosintetinančių organizmų bendrijas vėlyvajame prekambre. Taigi, šitoks paaiškinimas nereikalauja stiprių globalaus anglies ciklo perturbacijų paaiškinimo, o sulyginą matomą pobūdi su šiuolaikiniu. Tačiau iškyla kitas klausimas - kas buvo tie pirmieji sausumos gyventojai? Juk kiek yra žinoma, tuo meto uolienose dar nerasta sausuminių organizmų fosilijų, nors kitokie molekuliniai ir mineraloginiai tyrimai nurodo į tokių organizmų buvimo galimybę sausumoje mažiausiai jau prieš 1 mlrd. metų. Kiti, jau paleontologiniai įrodymai sako, kad jau nuo 600 mln. metų prieš dabartį, sausumoje galėjo egzistuoti įvairių protistų, samanų, kerpsamanių, skerpių ir grybų primityvi biota. Jeigų tai yra tiesa, tuomet autoriai sako kad prieš 850 mln. metų buvusiame laikotarpyje karbonatai, litifikacijos metu neturėjo patirti 13C izotopo nuskurdinimą, dėl nepakankamo organinės prigimties anglies prinešimo poveikio. Toks pobūdis matomas iš tikrųjų, nes ankstesniame laikotarpyje dauguma reikšmių po litifikacijos yra daug aukštesnės. Sakoma kad būtent šitokia fotositetinančių sausuminių organizmų veikla inicijavo anglies išėmimą iš atmosferos ir paspartino jos laidojimo procesą litosferoje, taip palaipsniui didinant O2 kiekį atmosferoje. Be šio efekto, turėjo paspartėti ir (bio)-cheminis uolienų dūlėjimas, kurio pasekoje į vandenynus turėjo patekti vis didesni biogeninių elementų kiekiai, kas galėjo paspartinti tolimesnį organizmų klestėjimą jūrose.
Šis straipsnis rodo tai kad, geochemijos, hidrogeologijos ir litologijos duomenys gali padėti išaiškinti ne tik gilias žemės mokslų bet ir biologijos (šiuo atveju, jos paleontologinės pusės) problemas, aiškinantis įvairios prigimties procesų sąsajas žemės sistemoje.
Nuoroda:
Knauth L. Paul & Martin J. Kennedy. The late Precambrian greening of the Earth. Nature 460, 728-732 (6 August 2009) | doi:10.1038/nature08213 - Straipsnis "Nature" žurnale apie vėlyvojo prekambro ir fanerozojaus karbonatų izotopinius tyrimus, bei galimą tų pokyčių sąsają su sausumos sužaliavimu.
G-moksluose geobiologinėmis temomis:
Futuroklimatologija: Atmosferos slėgio pokyčiai, kaip galimas "gelbėjimosį ratas" ateities biosferoje
Kaip gyvūnų elgesio pasikeitimas nulėmė vandenynų chemiją bei žemės plutos sudėtį
Nauji mechanizmai, galingiausiam masiniam išmirimui gyvybės istorijoje
Paleontologinis Blokbasteris II - organizmų maksimalaus dydžio evoliucija per paskutinius 3,5 mlrd. metų
--
AS
Reply all
Reply to author
Forward
0 new messages