Впервые ученые могут увидеть, как раковины крошечных морских организмов растут атом за атомом, сообщается в новом исследовании. Прогресс дает новое понимание механизмов биоминерализации и улучшает наше понимание изменений окружающей среды в прошлом Земли.
Под руководством исследователей из Калифорнийского университета в Дэвисе и Вашингтонского университета при ключевой поддержке Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США группа исследовала органо-минеральную границу раздела, где начинают формироваться первые кристаллы карбоната кальция. появляться в раковинах фораминифер, разновидности планктона.
«Мы получили первое представление о горизонте биологических событий», - сказал Говард Сперо, соавтор исследования и профессор геохимии Калифорнийского университета в Дэвисе. Результаты были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Последний рубеж фораминифер
Исследователи изучили оболочки на атомном уровне, чтобы лучше понять, как процессы роста могут влиять на уровни следовых примесей в оболочках. Команда рассмотрела ключевой этап - взаимодействие между биологическим «шаблоном» и началом роста раковины. Ученые составили карту химического состава этого важного интерфейса в фораминиферах Orbulina universa в масштабе атома. По словам Сперо, это первое в истории измерение химического состава шаблона биоминерализации карбоната кальция.
Среди новых результатов - повышенный уровень натрия и магния в органическом слое. Это удивительно, потому что эти два элемента не считаются важными архитекторами в строительных оболочках, сказал ведущий автор исследования Оскар Брэнсон, бывший научный сотрудник Калифорнийского университета в Дэвисе, который сейчас работает в Австралийском национальном университете в Канберре. Кроме того, при изучении прошлого климата с раковинами фораминифер может потребоваться учитывать более высокие концентрации магния и натрия в органическом шаблоне.
Калибровка климата Земли
Большая часть того, что мы знаем о прошлом климате (помимо записей о ледяных кернах), получена из химических анализов раковин крошечных одноклеточных существ, называемых фораминиферами, или «форамами». Когда форамы умирают, их раковины тонут и сохраняются в иле морского дна. Химия, сохранившаяся в древних раковинах, ведет хронику изменения климата на Земле, архив, насчитывающий почти 200 миллионов лет.
Раковины из карбоната кальция включают элементы из морской воды, такие как кальций, магний и натрий, по мере роста раковин. Количество следовых примесей в скорлупе зависит как от условий окружающей среды, так и от способа изготовления скорлупы. Например, чем больше магния содержится в раковине, тем теплее был океан в том месте, где росла эта раковина.
«Выяснение того, сколько магния содержится в раковине, может позволить нам узнать температуру морской воды возрастом до 150 миллионов лет», - сказал Брэнсон.
Но уровни магния также различаются внутри скорлупы из-за полос роста в нанометровом масштабе. Каждая полоса соответствует приросту за один день (аналогично сезонным изменениям годичных колец). Брэнсон сказал, что существуют значительные пробелы в понимании того, что именно вызывает ежедневные полосы в раковинах.
«Мы знаем, что процессы формирования скорлупы важны для химии скорлупы, но мы мало знаем об этих процессах или о том, как они могли измениться с течением времени», - сказал он. «Это вносит значительную неопределенность в реконструкцию климата».
Атомные карты
Исследователи использовали два передовых метода: времяпролетную масс-спектрометрию со вторичной ионизацией (ToF-SIMS) и лазерную атомно-зондовую томографию (APT). ToF-SIMS - это метод двумерного химического картирования, который показывает элементный состав поверхности полированного образца. Этот метод был разработан для элементного анализа сложных полимерных материалов и только начинает применяться к природным образцам, таким как раковины.
APT - это метод трехмерного картирования атомного масштаба, разработанный для изучения внутренних структур современных сплавов, кремниевых чипов и сверхпроводников. Визуализация APT была выполнена в Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, исследовательском центре Министерства энергетики США в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.