Новая система классификации минералов, основанная на происхождении, раскрывает огромный геохимический отпечаток, который оставила жизнь на Земле. Это могло бы помочь нам идентифицировать и другие миры с жизнью. https://nautil.us/life-helps-make-almost-half-of-all-minerals-on-earth-21042/?utm_source=nautilus-newsletter&utm_medium=email
Влияние геологии Земли на жизнь легко увидеть, поскольку организмы приспосабливаются к таким различным условиям, как пустыни, горы, леса и океаны. Однако полное влияние жизни на геологию может быть легко упущено из виду.
Новое всестороннее исследование полезных ископаемых нашей планеты теперь исправляет это упущение. Среди его находок — доказательства того, что около половины всего минерального разнообразия является прямым или косвенным результатом деятельности живых существ и их побочных продуктов. Это открытие может дать ценную информацию ученым, собирающим воедино сложную геологическую историю Земли, а также тем, кто ищет свидетельства существования жизни за пределами этого мира.
В двух статьях, опубликованных 1 июля 2022 года в журнале American Mineralogist, исследователи Роберт Хейзен, Шонна Моррисон и их сотрудники описывают новую таксономическую систему классификации минералов, которая придает большое значение тому, как именно образуются минералы, а не только тому, как они выглядят. При этом их система признает, как геологическое развитие Земли и эволюция жизни влияют друг на друга.
Их новая таксономия, основанная на алгоритмическом анализе тысяч научных работ, распознает более 10 500 различных типов минералов. Это почти в два раза больше, чем примерно 5800 минеральных “видов” в классической систематике Международной минералогической ассоциации, которая фокусируется исключительно на кристаллической структуре и химическом составе минерала.
”Это система классификации, которая используется уже более 200 лет, и та, с которой я вырос, изучал, изучал и увлекался», — сказал Хейзен, минералог из Научного института Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия. Для него ее фиксация только на минеральной структуре долгое время казалась колоссальный недостаток.
Еще в 2008 году он начал копаться в литературе по всем известным видам минералов в поисках данных о том, как они образовались. Проект “был монстром, с которым нужно было бороться”, — сказал Моррисон, который начал работать с Хейзеном в Институте Карнеги в 2013 году. Данные быстро стали мутными, потому что оказалось, что многие виды минералов возникли в результате нескольких различных процессов.
Возьмем, к примеру, кристаллы пирита (широко известные как золото дураков). “Пирит образуется 21 принципиально различными способами”, — сказал Хейзен. Некоторые кристаллы пирита образуются, когда богатые хлоридами залежи железа нагреваются глубоко под землей в течение миллионов лет. Другие образуются в отложениях холодного океана как побочный продукт деятельности бактерий, расщепляющих органическое вещество на морском дне. Третьи связаны с вулканической активностью, просачиванием грунтовых вод или угольными шахтами.
“Каждый из этих видов пирита рассказывает нам что-то свое о нашей планете, ее происхождении, о жизни и о том, как она менялась с течением времени”, — сказал Хейзен.
По этой причине новые статьи классифицируют минералы по “виду”, термин, который Хейзен и Моррисон определяют как комбинацию видов минералов с их механизмом происхождения (например, вулканический пирит против микробного пирита). Используя анализ машинного обучения, они проанализировали данные из тысяч научных работ и определили 10 556 различных видов минералов.
Моррисон и Хейзен также определили 57 процессов, которые по отдельности или в сочетании создали все известные минералы. Эти процессы включали различные типы выветривания, химические осадки, метаморфические преобразования внутри мантии, удары молнии, радиацию, окисление, массивные удары во время формирования Земли и даже конденсацию в межзвездном пространстве до образования планеты. Они подтвердили, что самым важным фактором минерального разнообразия на Земле является вода, которая благодаря различным химическим и физическим процессам способствует образованию более 80 процентов минералов.
Но они также обнаружили, что жизнь играет ключевую роль: треть всех видов минералов образуется исключительно в виде частей или побочных продуктов живых существ — таких как кусочки костей, зубов, кораллов и камней в почках (которые все богаты минералами) или фекалий, древесины, микробных матов и других органические материалы, которые с течением геологического времени могут поглощать элементы из окружающей среды и превращаться во что-то более похожее на камень. Тысячи минералов формируются в результате жизнедеятельности другими способами, такими как соединения германия, которые образуются при промышленном сжигании угля. Включая вещества, созданные в результате взаимодействия с побочными продуктами жизни, такими как кислород, образующийся при фотосинтезе, отпечатки пальцев жизни находятся примерно на половине всех минералов.
Исторически сложилось так, что ученые “искусственно проводили грань между тем, что является геохимией, и тем, что является биохимией”, — сказала Нита Сахай, специалист по биоминерализации из Университета Акрона в Огайо, которая не участвовала в новом исследовании. В действительности граница между животным, растительным и минеральным миром гораздо более зыбкая. Человеческий организм, например, содержит около 2 процентов минералов по весу, большая часть которых заключена в кальций-фосфатных каркасах, которые укрепляют наши зубы и кости.
По словам Сахаи, то, насколько глубоко минералогическое переплетено с биологическим, может не стать большим сюрпризом для земных ученых, но новая таксономия Моррисона и Хейзена “внесла в нее хорошую систематизацию и сделала ее более доступной для более широкого сообщества”.
Новая таксономия минералов будет одобрена некоторыми учеными. (“Старый — отстой”, — сказала Сара Кармайкл, исследователь минералогии из Аппалачского государственного университета.) Другие, такие как Карлос Грей Сантана, философ науки из Университета Юты, поддерживают систему IMA, даже если она не учитывает природу эволюции минералов. “Это не проблема”, — сказал он, потому что таксономия IMA была разработана для прикладных целей, таких как химия, горное дело и инженерия, и она по-прежнему прекрасно функционирует в этих областях. ”Это хорошо подходит для удовлетворения наших практических потребностей».
Однако потребности ученых также меняются из-за таких видов деятельности, как освоение космоса. Одним из следствий выводов Хейзена и Моррисона является то, что наша водянистая живая планета, вероятно, намного богаче разнообразием минералов, чем другие скалистые тела в Солнечной системе. “Есть много минералов, которые просто не могли образоваться на Марсе”, — сказал Хейзен. “Здесь нет пингвинов, какающих на глинистые минералы, нет летучих мышей в пещерах, нет разлагающихся кактусов или чего-то подобного”.
Тем не менее, Хейзен и Моррисон надеются, что их систематика однажды может быть использована для расшифровки геологической истории других планет или лун и поиска намеков на жизнь там, в прошлом или настоящем. Например, при исследовании марсианского кристалла исследователи могли бы использовать новую минералогическую основу для изучения таких особенностей, как размер зерен и дефекты структуры, чтобы определить, мог ли он быть образован древним микробом, а не вымирающим морем или ударом метеорита.
Хейзен считает, что новая таксономия может даже помочь в обнаружении жизни на планетах вокруг далеких звезд. Свет от экзопланет, обнаруженный космическим телескопом Джеймса Уэбба и другими сложными приборами, может быть проанализирован для определения химического состава их атмосферы; основываясь на измеримом содержании кислорода, присутствии или отсутствии водяного пара, относительных концентрациях углерода и других данных, исследователи могут попытаться предсказать, какие виды минералов могут быть вероятными. чтобы образоваться на расстоянии световых лет.
Тимоти Лайонс, биогеохимик, входящий в группу астробиологов Калифорнийского университета в Риверсайде, считает, что это может зайти слишком далеко в методологии, поскольку “вы не собираетесь лететь на эти планеты и собирать минералы”, чтобы подтвердить результаты. Тем не менее, он рассматривает систематику Хейзена и Моррисона как потенциально важный источник информации для изучения внеземных минералов, найденных на нашей Луне и Марсе.
“По-настоящему масштабно и масштабно мы понимаем не только нашу планету [но и] всю нашу солнечную систему и, возможно, солнечные системы за ее пределами”, — сказал Моррисон. “Это действительно невероятно”.
Ведущее изображение: Сто миллионов лет назад морское существо, называемое аммонитом, умерло, и его твердая карбонатная оболочка осела на морском дне в виде биоминерала арагонита. Со временем карбонат постепенно заменялся силикатными кристаллами опала. Фото предоставлено: АРКЕНСТОУН / Роб Лавински
Эта статья была первоначально опубликована в блоге Quanta Abstractions.