Геобиология - Geobiology

Красочный микробные маты из Великий призматический источник в Йеллоустонский Национальный Парк, СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. Оранжевые коврики состоят из Хлорофлекси, Цианобактерии, и другие организмы, которые процветают в воде с температурой 70 ° C. Геобиологи часто изучают такие экстремальные условия, потому что они являются домом для экстремофильный организмы. Было высказано предположение, что эти среды могут быть типичными для ранней Земли.[1]

Геобиология это область научное исследование который исследует взаимодействие между физическими земной шар и биосфера. Это относительно молодое месторождение, и его границы текучи. Значительное перекрытие с полями экология, эволюционная биология, микробиология, палеонтология, и особенно почвоведение и биогеохимия. Геобиология применяет принципы и методы биологии, геологии и почвоведения к изучению древней истории совместной эволюции жизни и Земли, а также роли жизни в современном мире.[2] Геобиологические исследования, как правило, сосредоточены на микроорганизмы, и о роли, которую жизнь играет в изменении химической и физической среды педосфера, которая существует на пересечении литосфера, атмосфера, гидросфера и / или криосфера. Он отличается от биогеохимии тем, что в центре внимания процессы и организмы в пространстве и времени, а не глобальные химические циклы.

Геобиологические исследования синтезируют геологическая запись с современными биологическими исследованиями. В нем рассматривается процесс - как организмы влияют на Землю и наоборот - а также историю - как Земля и жизнь изменились вместе. Многие исследования основаны на поисках фундаментального понимания, но геобиология также может быть применена, как в случае с микробами, которые очищают разливы нефти.[3]

В геобиологии работают молекулярная биология, экологическая микробиология, химические анализы и геологические данные для исследования эволюционной взаимосвязи жизни и Земли. Он пытается понять, как Земля изменилась с момента зарождения жизни и на что она могла быть похожа на этом пути. Некоторые определения геобиологии даже раздвигают границы этих временных рамок - к пониманию происхождение жизни и той роли, которую человек играл и будет продолжать играть в формировании Земли в Антропоцен.[3]

История

Микробный коврик в Уайт-Крик, Йеллоустонский Национальный Парк, СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. Обратите внимание на коническую микроструктуру бактериальных сообществ. Предполагается, что это живой аналог древних ископаемых. строматолиты. У каждого конуса есть пузырь газообразного кислорода наверху, продукт кислородного фотосинтез к цианобактерии в многовидовом микробные маты.

Термин геобиология был введен Лоуренс Баас Бекинг в 1934 году. По его словам, геобиология «является попыткой описать отношения между организмами и Землей», поскольку «организм является частью Земли, и его участь переплетается с участком Земли». Определение геобиологии Баасом Бекингом родилось из желания объединить экологическую биологию с лабораторной биологией. То, как он это практиковал, близко соответствует современным экологическим микробная экология, хотя его определение остается применимым ко всей геобиологии. В своей книге «Геобиология» Басс Бекинг заявил, что не собирался изобретать новую область исследований.[4] На понимание геобиологии Бааса Бекинга сильно повлияли его предшественники, в том числе Мартинус Бейеринк, его учитель из голландской школы микробиологии. Другие включены Владимир Вернадский, который утверждал, что жизнь изменяет поверхностную среду Земли в Биосфере, его книга 1926 года,[5] и Сергей Виноградский, известный открытием литотрофных бактерий.[6]

Первой лабораторией, официально посвященной изучению геобиологии, была Геобиологическая лаборатория Бааса Бекинга в Австралии, которая открыла свои двери в 1965 году.[4] Однако потребовалось еще около 40 лет, чтобы геобиология стала прочно укоренившейся научной дисциплиной, отчасти благодаря достижениям в геохимия и генетика это позволило ученым начать синтезировать исследования жизни и планеты.

В 1930-е гг. Альфред Трейбс обнаруженный хлорофилл -подобно порфирины в нефть, подтверждающие его биологическое происхождение,[7] тем самым основав органическую геохимию и утвердив понятие биомаркеры,[8] критический аспект геобиологии. Но прошло несколько десятилетий, прежде чем появились инструменты, позволяющие начать всерьез поиски химических следов жизни в породах. В 1970-х и 80-х годах ученым нравилось Джеффри Эглингтон и Роджер вызывает начал находить липидные биомаркеры в рок-записи, используя такое оборудование, как ГХМС.

Что касается биологии, то в 1977 г. Карл Вёзе и Джордж Фокс опубликовали филогения жизни на Земле, включая новую область - Археи.[9] А в 90-е годы генетика и геномика стали возможными исследования, расширившие возможности изучения взаимодействия жизни и планеты.

Сегодня геобиология имеет свои журналы, такие как Геобиология, созданная в 2003 году,[10] и Биогеонауки, созданная в 2004 году,[11] а также признание на крупных научных конференциях. Получил свой Гордонская исследовательская конференция в 2011,[12] издан ряд учебников по геобиологии,[3][13] и многие университеты по всему миру предлагают программы на получение степени по геобиологии (см. Внешние ссылки).

Основные геобиологические события

Геологическая шкала времени перекрывается с основными геобиологическими событиями и происшествиями. Оксигенация атмосферы показана синим цветом, начиная с 2,4 млрд лет, хотя точная датировка Великого события оксигенации обсуждается.[14]

Возможно, самым значительным геобиологическим событием является внедрение кислород в атмосферу фотосинтетический бактерии. Этот оксигенация из земной шар первозданная атмосфера (так называемая кислородная катастрофа или большое событие оксигенации ), а насыщение океанов кислородом изменило биогеохимические циклы на поверхности и типы организмов, для которых произошел эволюционный отбор.

Следующим серьезным изменением стало появление многоклеточность. Допускается наличие кислорода эукариоты и, позже, многоклеточная жизнь, чтобы развиться.

Более антропоцентрические геобиологические события включают происхождение животных и установление наземной растительной жизни, которые повлияли на континентальную эрозию и круговорот питательных веществ и, вероятно, изменили наблюдаемые типы рек, что позволило создать каналы для того, что ранее было преимущественно переплетенными реками.

Более тонкие геобиологические явления включают роль термитов в опрокидывании отложений, коралловые рифы в отложении карбоната кальция и разрушении волн, губки в поглощении растворенного морского кремнезема, роль динозавров в прорыве речных дамб и наводнениях, а также роль навоза крупных млекопитающих в распределение питательных веществ.[15][16]

Важные понятия

Геобиология основана на нескольких основных концепциях, объединяющих изучение Земли и жизни. Хотя есть много неясных аспектов изучения прошлых и настоящих взаимодействий между жизнью и Землей, несколько важных идей и концепций обеспечивают основу знаний в геобиологии, которые служат платформой для постановки исследуемых вопросов, включая эволюцию жизни и планеты, а также совместная эволюция обоих, генетика - как с исторической, так и с функциональной точки зрения, метаболическое разнообразие всего живого, седиментологическое сохранение прошлой жизни и происхождение жизни.

Совместная эволюция жизни и Земли

Основная концепция геобиологии заключается в том, что жизнь со временем меняется через эволюция. Теория эволюции постулирует, что уникальные популяции организмов или разновидность возникли в результате генетических модификаций в наследственной популяции, которые были переданы дрейф и естественный отбор.[17]

Наряду со стандартной биологической эволюцией жизнь и планета развиваются совместно. Поскольку лучшими адаптациями являются те, которые подходят экологическая ниша что организм живет, физические и химические характеристики окружающей среды стимулируют эволюцию жизни путем естественного отбора, но может быть и обратное: с каждым появлением эволюции окружающая среда меняется.

Классическим примером коэволюции является эволюция кислород -производство фотосинтетический цианобактерии которые насыщали кислородом Землю Архейский Атмосфера. Предки цианобактерий начали использовать воду в качестве источника электронов, чтобы использовать энергию солнца и выделять кислород до или во время раннего Палеопротерозой. За это время, примерно от 2,4 до 2,1 миллиарда лет назад,[18] геологические данные предполагают, что кислород в атмосфере начал повышаться в так называемом Большое событие оксигенации (GOE).[19][20] Неясно, как долго цианобактерии осуществляли оксигенный фотосинтез до GOE. Некоторые данные свидетельствуют о существовании геохимических «буферов» или стоков, подавляющих подъем кислорода, таких как вулканизм[21] хотя цианобактерии, возможно, производили его до GOE.[22] Другие данные указывают на то, что рост оксигенного фотосинтеза совпал с GOE.[23]

Образование полосчатого железа (BIF), Формация Хаммерсли, Западная Австралия

Присутствие кислорода на Земле с момента его первого производства цианобактериями до GOE и до сегодняшнего дня сильно повлияло на ход эволюции жизни и планеты.[19] Возможно, это спровоцировало формирование окисленный минералы[24] и исчезновение окисляемых минералов, таких как пирит из древних русел ручьев.[25] Наличие полосчато-железные образования (БИФ) были интерпретированы как ключ к разгадке увеличения содержания кислорода, поскольку небольшое количество кислорода могло вступить в реакцию с пониженным содержанием кислорода. двухвалентное железо (Fe (II)) в океанах, что приводит к отложению отложений, содержащих Оксид Fe (III) в таких местах, как Западная Австралия.[26] Однако любая окислительная среда, в том числе создаваемая микробами, такими как окисляющие железо фотоавтотрофы Rhodopseudomonas palustris,[27] может вызвать образование оксида железа и, следовательно, отложение BIF.[28][29][30] Другие механизмы включают окисление УФ-излучение.[31] Действительно, BIF происходят на больших отрезках истории Земли и могут не коррелировать только с одним событием.[30]

Другие изменения, связанные с повышением содержания кислорода, включают появление ржаво-красного древнего цвета. палеопочвы,[19] разные фракционирование изотопов таких элементов, как сера,[32] и глобальный оледенения и Снежок Земля События,[33] возможно, вызвано окислением метан кислородом, не говоря уже о пересмотре типов организмов и метаболизма на Земле. В то время как организмы до повышения уровня кислорода, вероятно, были отравлены газообразным кислородом столько же анаэробы сегодня,[34] Те, кто разработали способы использования способности кислорода принимать электроны и давать энергию, были готовы к процветанию и колонизации аэробной среды.

Современный, живой строматолиты в Шарк-Бэй, Австралия. Залив Шарк - одно из немногих мест в мире, где сегодня можно увидеть строматолиты, хотя они, вероятно, были обычным явлением в древних неглубоких морях до подъема многоклеточный хищники.

Земля изменилась

Земля не оставалась прежней с момента образования своей планеты 4,5 миллиарда лет назад.[35][36] Континенты формировались, распадались и сталкивались, открывая новые возможности и препятствия для распространения жизни. Окислительно-восстановительное состояние атмосферы и океанов изменилось, о чем свидетельствуют изотопные данные. Колебания количества неорганических соединений, таких как углекислый газ, азот, метан, и кислород были движимы жизнью, развивающей новый биологический метаболизм, чтобы произвести эти химические вещества, и стимулировали эволюцию нового метаболизма, чтобы использовать эти химические вещества. Земля приобрела магнитное поле около 3,4 млрд лет[37] который претерпел серию геомагнитные инверсии порядка миллионов лет.[38] Температура поверхности постоянно колеблется, она падает в результате оледенений и событий Снежный ком на Земле из-за обратная связь ледового альбедо,[39] подъем и таяние из-за выделения газа из вулкана и стабилизация из-за обратная связь силикатного выветривания.[40]

И изменилась не только Земля - яркость солнца увеличилось с течением времени. Поскольку в горных породах зафиксирована история относительно постоянных температур с момента зарождения Земли, должно было быть больше парниковые газы чтобы поддерживать температуру в Архее, когда солнце было моложе и слабее.[41] Все эти основные различия в окружающей среде Земли накладывали самые разные ограничения на эволюцию жизни на протяжении всей истории нашей планеты. Более того, всегда происходят более тонкие изменения в среде обитания жизни, формирующие организмы и следы, которые мы наблюдаем сегодня и в летописи горных пород.

Гены кодируют геобиологические функции и историю

В генетический код является ключом к наблюдению за историей эволюция и понимание возможностей организмов. Гены являются основной единицей наследование и функционируют, и, как таковые, они являются основной единицей эволюции и средствами, лежащими в основе метаболизм.[42]

Филогения предсказывает эволюционную историю

А филогенетическое дерево живых существ, основанных на рРНК данные и предложены Карл Вёзе, показывая разделение бактерии, археи, и эукариоты и связывая три ветви живых организмов с LUCA (черный ствол внизу дерева).

Филогения берет генетические последовательности от живых организмов и сравнивает их друг с другом, чтобы выявить эволюционные отношения, так же, как семейное древо показывает, как люди связаны со своими дальними родственниками.[43] Это позволяет нам расшифровать современные отношения и сделать вывод, как эволюция происходила в прошлом.

Филогения может дать некоторое представление об истории в сочетании с немного дополнительной информацией. Каждое различие в ДНК указывает на расхождение между одним видом и другим.[43] Это расхождение, будь то дрейф или естественный отбор, характерно для некоторого промежутка времени.[43] Одно только сравнение последовательностей ДНК 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. окаменелости ), у нас есть график эволюции.[44] Исходя из этого, имея представление о других одновременных изменениях в жизни и окружающей среде, мы можем начать размышлять о том, почему могли быть выбраны определенные эволюционные пути.[45]

Гены кодируют метаболизм

Молекулярная биология позволяет ученым понять функцию гена, используя микробное культивирование и мутагенез. Поиск похожих генов у других организмов и в метагеномный и метатранскриптомический данные позволяют нам понять, какие процессы могут быть актуальными и важными в данной экосистеме, обеспечивая понимание биогеохимических циклов в этой среде.

Например, интригующей проблемой геобиологии является роль организмов в глобальном круговороте метан. Генетика выявила, что ген метанмонооксигеназы (pmo) используется для окисления метана и присутствует во всех аэробных окислителях метана, или метанотрофы.[46] Наличие последовательностей ДНК pmo Ген в окружающей среде может использоваться в качестве заместителя для метанотрофии.[47][48] Более универсальным инструментом является 16S рибосомная РНК ген, который встречается у бактерий и архей. Этот ген со временем развивается очень медленно и обычно не горизонтально перенесенный, поэтому его часто используют для различения различных таксономических единиц организмов в окружающей среде.[9][49] Таким образом, гены являются ключами к метаболизму и идентичности организма. Генетика позволяет нам спросить: «Кто там?» и "что они делают?" Такой подход называется метагеномика.[49]

3,4 миллиарда лет строматолиты от Warrawoona Group, Западный Австралия. Хотя происхождение Докембрийский строматолиты - очень обсуждаемая тема в геобиологии,[50] Предполагается, что строматолиты из Варравуны образовались древними сообществами микробов.[51]

Метаболическое разнообразие влияет на окружающую среду

Смотрите также: микробный метаболизм

Жизнь использует химические реакции для выработки энергии, выполнения биосинтез, и исключить отходы.[52] Разные организмы используют очень разные метаболические подходы для удовлетворения этих основных потребностей.[53] В то время как животные, такие как мы, ограничены аэробного дыхания, другие организмы могут «дышать» сульфат (SO42-), нитрат (№ 3-), трехвалентное железо (Fe (III)) и уран (U (VI)), или жить за счет энергии от ферментация.[53] Некоторые организмы, например растения, автотрофы, что означает, что они могут связывать углекислый газ для биосинтеза. Растения фотоавтотрофы в том, что они используют энергию света для фиксации углерода. Микроорганизмы используют оксигенную и аноксигенную фотоавтотрофию, а также химиоавтотрофия. Микробные сообщества могут координироваться в синтрофический метаболизм, чтобы сдвинуть кинетику реакции в свою пользу. Многие организмы могут осуществлять несколько метаболических процессов для достижения одной и той же конечной цели; они называются миксотрофы.[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 биогеохимия.) 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 пласте породы.[54]

"Гигант" ооиды из Формирование Джонни в районе Долины Смерти, Калифорния, США. Ооиды почти сфероидальные карбонат кальция зерна, которые накапливаются вокруг центрального ядра и могут осаждаться, образуя подобный оолит. Микробы могут опосредовать образование ооидов.[50]

Осадочные породы рассказывают историю

Осадочные породы сохранить остатки истории жизни на Земле в виде окаменелости, биомаркеры, изотопы, и другие следы. Рок-пластинка далека от совершенства, и сохранение биосигнатуры это редкое явление. Понимание того, какие факторы определяют степень сохранности, и значение того, что хранится, являются важными компонентами для раскрытия древней истории совместной эволюции жизни и Земли.[8] Отложения осадочных пород позволяют ученым наблюдать изменения в жизни и составе Земли с течением времени, а иногда даже датировать крупные переходы, такие как события вымирания.

Некоторые классические примеры геобиологии в осадочной летописи включают: строматолиты и пласты полосчатого железа. Роль жизни в происхождении обоих является предметом жарких споров.[19]

Жизнь по своей сути химия

Первая жизнь возникла из абиотические химические реакции. Когда это произошло, как это произошло и даже на какой планете это произошло, неизвестно. Однако жизнь следует правилам и возникла из безжизненных химия и физика. Это ограничено такими принципами, как термодинамика. Это важная концепция в этой области, потому что она представляет собой воплощение взаимосвязанности, если не сходства, жизни и Земли.[55]

Хотя часто делегируется в области астробиология, попытки понять, как и когда возникла жизнь, имеют отношение и к геобиологии.[56] Первые важные шаги к пониманию «как» пришли с Миллер-Юри эксперимент, когда аминокислоты образовались из смоделированного «исконный суп ». Другая теория состоит в том, что жизнь возникла в системе, очень похожей на гидротермальные источники в срединно-океанические центры распространения. в Синтез Фишера-Тропша, разнообразие углеводороды образуются в условиях, подобных вентиляции. Другие идеи включают Гипотеза «мира РНК», который постулирует, что первая биологическая молекула была РНК и идея о том, что жизнь зародилась в другом месте Солнечная система и был доставлен на Землю, возможно, через метеорит.[55]

Методология

А микробный коврик растет на кислой почве в Бассейн Норрис Гейзер, Йеллоустонский Национальный Парк, СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. Черный верх служит своего рода солнцезащитным кремом, а когда вы смотрите под ним, вы видите зеленый цианобактерии.

Хотя геобиология - это разнообразная и разнообразная область, охватывающая идеи и методы из широкого круга дисциплин, здесь выделен ряд важных методов, которые являются ключевыми для изучения взаимодействия жизни и Земли.[3]

  1. Лаборатория культивирование микробов используется для характеристики метаболизма и образа жизни интересующих организмов.
  2. Ген последовательность действий позволяет ученым изучать отношения между существующими организмами с помощью филогенетики.
  3. Экспериментальная генетическая манипуляция или же 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 ДНК-зонды к визуализации микробов и минералов в высоком разрешении электронный микроскоп (ЭМ).
  5. Изотопные трассеры может использоваться для отслеживания биохимических реакций, чтобы понять микробный метаболизм.
  6. Изотопное естественное изобилие в скалах можно измерить искать изотопное фракционирование что согласуется с биологическим происхождением.
  7. Подробно экологическая характеристика важно для понимания того, что в среде обитания может быть движущей силой эволюции жизни и, в свою очередь, как жизнь может изменить эту нишу. Он 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 камней. Горная летопись хранит историю геобиологических процессов в отложениях, которую можно раскопать, изучив отложение, осаждение, уплотнение, диагенез, и деформация.
  9. Поиск и изучение окаменелостей, хотя часто делегируется в отдельную область палеонтология, важен в геобиологии, хотя масштаб окаменелостей обычно меньше (микропалеонтология ).
  10. Биохимический анализ биомаркеры, которые представляют собой окаменелые или современные молекулы, указывающие на присутствие определенной группы организмов или метаболизма, используются для ответа на вопросы о жизненном и метаболическом разнообразии.[8]
  11. Палеомагнетики это исследование древнего магнитного поля планеты. Это важно для понимания ископаемые, биоминерализация, и глобальные изменения экосистем.

Поддисциплины и смежные области

Как следует из названия, геобиология тесно связана со многими другими областями исследований и не имеет четко определенных границ или полного согласия относительно того, что именно они составляют. Некоторые практики имеют очень широкое представление о его границах, охватывая многие старые, более устоявшиеся области, такие как биогеохимия, палеонтология и микробная экология. Другие придерживаются более узкой точки зрения, относя это к новым исследованиям, которые находятся между этими существующими областями, например, к геомикробиологии. Следующий список включает в себя те, которые явно являются частью геобиологии, например геомикробиологии, а также те, которые разделяют научные интересы, но исторически не считались субдисциплиной геобиологии, например палеонтология.

Астробиология

Астробиология это междисциплинарная область, в которой используется сочетание геобиологических и планетология данные, чтобы установить контекст для поиска жизни на других планеты. Происхождение жизни из неживой химии и геологии, или абиогенез, является основной темой в астробиологии. Несмотря на то, что это, по сути, проблема, связанная с землей и, следовательно, представляющая большой геобиологический интерес, выяснение происхождения жизни требует рассмотрения того, чего требует жизнь, что, если вообще что-то особенное на Земле, что могло измениться, чтобы позволить жизни расцвести, что составляет свидетельство жизни, и даже то, что составляет саму жизнь. Это те же вопросы, которые могут задать ученые при поисках инопланетной жизни. Кроме того, астробиологи изучают возможность существования жизни на основе других метаболизмов и элементов, выживаемость организмов Земли на других планетах или космических кораблях, эволюцию планет и Солнечной системы и космическую геохимию.[57]

Биогеохимия

Биогеохимия Это системная наука, которая объединяет изучение биологических, геологических и химических процессов, чтобы понять реакции и состав природной среды. В первую очередь это касается глобальных элементарных циклов, таких как азот и углерод. Отцом биогеохимии был Джеймс Лавлок, чей "Гипотеза Гайи »Предположил, что биологические, химические и геологические системы Земли взаимодействуют для стабилизации условий на Земле, которые поддерживают жизнь.[58]

Геобиохимия

Строматолиты в сланце Грин Ривер, Вайоминг, США, датируемые эоцен

Геобиохимия похожа на биогеохимия, но отличается тем, что делает упор на влияние геологии на развитие биохимических процессов жизни, в отличие от роли жизни в циклах Земли. Его основная цель - связать биологические изменения, включая эволюционные модификации генов и изменения в экспрессии генов и белков, с изменениями температуры, давления и состава геохимических процессов, чтобы понять, когда и как эволюционировал метаболизм. Геобиохимия основана на представлении о том, что жизнь - это планетарный ответ, поскольку метаболический катализ позволяет высвобождать энергию, захваченную охлаждающейся планетой.[59]

Экологическая микробиология

Микробиология это широкая научная дисциплина, имеющая отношение к изучению той жизни, которую лучше всего рассматривать под микроскопом. Он охватывает несколько областей, которые имеют прямое отношение к геобиологии, а инструменты микробиологии относятся к геобиологии. Экологическая микробиология особенно тесно связана с геобиологией, поскольку она стремится к пониманию реальных организмов и процессов, имеющих отношение к природе, в отличие от традиционного лабораторного подхода к микробиологии. Микробная экология похожа, но, как правило, больше внимания уделяется лабораторным исследованиям и взаимоотношениям между организмами внутри сообщества, а также внутри экосистемы их химической и геологической физической среды. Оба полагаются на такие методы, как сбор образцов из разных сред, метагеномика, Секвенирование ДНК, и статистика.

Геомикробиология и микробная геохимия

Вертикальное сечение микробный коврик содержащие различные организмы которые выполняют разные метаболизм. Зеленые предположительно цианобактерии, а на поверхности видны микроструктуры типа типи.

Геомикробиология традиционно изучает взаимодействие между микробы и минералы. Хотя в основном она опирается на инструменты микробиологии, микробная геохимия использует геологические и химические методы, чтобы подойти к той же теме с точки зрения горных пород. Геомикробиология и микробная геохимия (GMG) - это относительно новая междисциплинарная область, которая в более широком смысле рассматривает взаимосвязь между микробами, Землей и системами окружающей среды.Провозглашенная как часть геобиологии и геохимии, GMG стремится понять элементарные биогеохимические циклы и эволюцию жизни на Земле. В частности, он задает вопросы о том, где живут микробы, их локальное и глобальное количество, их структурная и функциональная биохимия, как они развивались, биоминерализация, а также их потенциал сохранения и присутствие в летописи горных пород. Во многих отношениях GMG кажется эквивалентом геобиологии, но отличается по масштабу: геобиология фокусируется на роли всего живого, в то время как GMG строго микробиологичен. Тем не менее, именно эти крошечные существа доминировали в истории жизни, интегрированной с течением времени, и, кажется, оказали самые далеко идущие последствия.[60]

Молекулярная геомикробиология

Молекулярная геомикробиология использует механистический подход к пониманию биологических процессов, которые имеют важное геологическое значение. Это может быть на уровне ДНК, белка, липидов или любого другого метаболит. Одним из примеров исследований в области молекулярной геомикробиологии является изучение того, как недавно созданные поля лавы заселяются микробами. Университет Хельскинки в настоящее время проводит исследования, чтобы определить, какие конкретные микробные черты необходимы для успешной начальной колонизации, и как волны микробной сукцессии могут превратить вулканическую породу в плодородную почву.[61]

Органическая геохимия

Органическая геохимия это исследование органических молекул, которые появляются в летописи окаменелостей в осадочных породах. Исследования в этой области касаются молекулярных окаменелостей, которые часто являются липидными биомаркерами. Такие молекулы, как стерины и гопаноиды, мембранные липиды, обнаруженные у эукариот и бактерий, соответственно, могут быть сохранены в летописи горных пород в миллиардных временных масштабах. После смерти организма, из которого они произошли, и осаждения, они подвергаются процессу, называемому диагенез при этом многие из конкретных функциональных групп липидов теряются, но углеводородный скелет остается нетронутым. Эти окаменелые липиды называются стеранами и гопанами соответственно.[62] Существуют также другие типы молекулярных окаменелостей, такие как порфирины, открытие которого в нефти Альфред Э. Трейбс фактически привело к изобретению области.[8] Другие аспекты геохимия которые также имеют отношение к геобиологии, включают изотопную геохимию, в которой ученые ищут фракционирование изотопов в летописи горных пород, и химический анализ биоминералы, Такие как магнетит или золото, осажденное микробами.

Эдиакарские окаменелости из Ошибочная точка зрения, Ньюфаундленд. Эдиакарская биота возникла в Эдиакарский период и не похожи на большинство современных животных.

Палеонтология

Возможно, самый старый из всех, палеонтология это изучение окаменелостей. Он включает в себя открытие, раскопки, датирование и палеоэкологическое понимание любого типа окаменелостей, микробов или динозавров, следов или окаменелостей тела. Микропалеонтология особенно актуален для геобиологии. Предполагаемый бактериальный микрофоссилий и древний строматолиты используются в качестве доказательства повышения метаболизма, такого как кислородный фотосинтез.[63] Поиск молекулярных окаменелостей, таких как липидные биомаркеры, такие как стераны и гопаны, также сыграл важную роль в геобиологии и органической геохимии.[8] Соответствующие суб-ученики включают: палеоэкология и палеобиогеорафия.

Биогеография

Биогеография это исследование географического распределения жизни во времени. Он может смотреть на нынешнее распределение организмов по континентам или между микронишами, или на распределение организмов во времени или в прошлом, что называется палеобиогеографией.

Эволюционная биология

Эволюционная биология - это исследование эволюционных процессов, которые сформировали разнообразие жизни на Земле. Он включает генетика, экология, биогеография и палеонтология для анализа тем, включая естественный отбор, дисперсия, приспособление, расхождение, генетический дрейф, и видообразование.

Экогидрология

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

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Жизнь в условиях сильной жары - 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 деятельностью и эволюцией жизни. Springer. п. v. ISBN  978-1-4020-8305-1.
  3. ^ а б c d Knoll, Andrew H .; Кэнфилд, профессор Дон Э .; Конхаузер, Курт О. (30 марта 2012 г.). Основы геобиологии. Джон Вили и сыновья. ISBN  9781118280881.
  4. ^ а б Бекинг, LGM Baas (2015). Кэнфилд, Дональд Э. (ред.). Геобиология Бааса Бекинга. Джон Вили и сыновья.
  5. ^ Вернадский, Владимир Иванович (1926). Биосфера.
  6. ^ Виноградский, Сергей (1887). "Über Schwefelbakterien". Бот. Zeitung (45): 489–610.
  7. ^ Трейбс, Альфред (1936-09-19). «Хлорофилл- унд Häminderivate in organischen Mineralstoffen». Angewandte Chemie. 49 (38): 682–686. Дои:10.1002 / ange.19360493803. ISSN  1521-3757.
  8. ^ а б c d е Гейнс, С. М. (2008). Отголоски жизни: что ископаемые молекулы говорят об истории Земли: что ископаемые молекулы говорят об истории Земли. Oxford University Press, США.
  9. ^ а б Woese, Carl R .; Фокс, Джордж Э. (1977-11-01). «Филогенетическая структура прокариотического домена: первичные царства». Труды Национальной академии наук. 74 (11): 5088–5090. Bibcode:1977PNAS ... 74.5088W. Дои:10.1073 / пнас.74.11.5088. ISSN  0027-8424. ЧВК  432104. PMID  270744.
  10. ^ «Геобиология». Геобиология. Дои:10.1111 / (ISSN) 1472-4669.
  11. ^ Рейтер, Томсон. «Редакторы биогеонаук обсуждают успех журнала - ScienceWatch.com - Thomson Reuters». archive.sciencewatch.com. Получено 2016-05-20.
  12. ^ "Gordon Research Conferences - Подробности конференции - Геобиология". www.grc.org. Получено 2016-05-20.
  13. ^ Эрлих, Генри Лутц; Ньюман, Дайан К .; Капплер, Андреас (2015-10-15). Геомикробиология Эрлиха, шестое издание. CRC Press. ISBN  9781466592414.
  14. ^ Беккер, Андрей (01.01.2014). «Великое событие оксигенации». В Амилсе, Рикардо; Гарго, Мюриэль; Кинтанилья, Хосе Черничаро; Кливз, Хендерсон Джеймс; Ирвин, Уильям М .; Пинти, Даниэле; Визо, Мишель (ред.). Энциклопедия астробиологии. Springer Berlin Heidelberg. С. 1–9. Дои:10.1007/978-3-642-27833-4_1752-4. ISBN  9783642278334.
  15. ^ Doughty, C.E .; Wolf, A .; Малхи, Ю. (2013). «Наследие вымирания мегафауны плейстоцена на доступность питательных веществ в Амазонии». Природа Геонауки. 6 (9): 761–764. Bibcode:2013НатГе ... 6..761Д. Дои:10.1038 / ngeo1895.
  16. ^ Баттерфилд, Н. Дж. (2011). «Животные и изобретение фанерозойской системы Земли». Тенденции в экологии и эволюции. 26 (2): 81–87. Дои:10.1016 / j.tree.2010.11.012. PMID  21190752.
  17. ^ Дарвин, К. (1859 г.). О происхождении вида Лондон. Великобритания: Джон Мюррей.
  18. ^ Лайонс, Тимоти У .; Рейнхард, Кристофер Т .; Планавский, Ной Дж. (2014). «Подъем кислорода в раннем океане и атмосфере Земли». Природа. 506 (7488): 307–315. Bibcode:2014Натура.506..307L. Дои:10.1038 / природа13068. PMID  24553238.
  19. ^ а б c d Фишер, Вудворд У .; Конопля, Джеймс; Джонсон, Джена Э. (28 июня 2013 г.). «Эволюция кислородного фотосинтеза». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах. 44: 647–683. Bibcode:2016AREPS..44..647F. Дои:10.1146 / annurev-earth-060313-054810. ISSN  0084-6597.
  20. ^ Голландия, 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. Дои:10.1016 / S0016-7037 (02) 00950-X.
  21. ^ Гайяр, Фабрис; Скайлет, Бруно; Арндт, Николас Т. (2011). «Оксигенация атмосферы, вызванная изменением давления вулканической дегазации» (PDF). Природа. 478 (7368): 229–232. Bibcode:2011Натура.478..229G. Дои:10.1038 / природа10460. PMID  21993759.
  22. ^ Анбар, Ариэль Д .; Дуань, Юнь; Лайонс, Тимоти У .; Арнольд, Гейл Л .; Кендалл, Брайан; Creaser, Роберт А .; Кауфман, Алан Дж .; Гордон, Гвинет В .; Скотт, Клинтон (28 сентября 2007 г.). «Пахнет кислородом перед великим окислительным событием?». Наука. 317 (5846): 1903–1906. Bibcode:2007Научный ... 317.1903A. Дои:10.1126 / наука.1140325. ISSN  1095-9203. PMID  17901330.
  23. ^ Киршвинк, Джозеф Л; Копп, Роберт Э (27 августа 2008 г.). «Палеопротерозойские ледяные дома и эволюция кислородных ферментов: случай позднего происхождения фотосистемы II». Философские труды Королевского общества B: биологические науки. 363 (1504): 2755–2765. Дои:10.1098 / rstb.2008.0024. ISSN  0962-8436. ЧВК  2606766. PMID  18487128.
  24. ^ Сверженский, Дмитрий А .; Ли, Намхи (01.02.2010). «Великое событие окисления и диверсификация минералов». Элементы. 6 (1): 31–36. Дои:10.2113 / gselements.6.1.31. ISSN  1811-5209.
  25. ^ Johnson, Jena E .; Герфейда, Айя; Lamb, Майкл П .; Фишер, Вудворд В. (2014). «Ограничения O 2 из палеопротерозойского обломочного пирита и уранинита». Бюллетень Геологического общества Америки. 126 (5–6): 813–830. Bibcode:2014GSAB..126..813J. Дои:10.1130 / b30949.1.
  26. ^ Облако, П. (1973). «Палеоэкологическое значение полосчатой ​​формации железа». Экономическая геология. 68 (7): 1135–1143. Дои:10.2113 / gsecongeo.68.7.1135.
  27. ^ Цзяо, Юнцинь; Капплер, Андреас; Croal, Laura R .; Ньюман, Дайан К. (1 августа 2005 г.). «Выделение и характеристика генетически трактуемой фотоавтотрофной Fe (II) -окисляющей бактерии, штамма TIE-1 Rhodopseudomonas palustris». Прикладная и экологическая микробиология. 71 (8): 4487–4496. Дои:10.1128 / AEM.71.8.4487-4496.2005. ISSN  0099-2240. ЧВК  1183355. PMID  16085840.
  28. ^ Кроу, Шон А .; Джонс, КэрриЭйн; Кацев, Сергей; Маген, Седрик; О'Нил, Эндрю Х .; Штурм, Арне; Кэнфилд, Дональд Э .; Хаффнер, Дж. Дуглас; Муччи, Альфонсо (2008-10-14). "Фотоферротрофы процветают в аналоге архейского океана". Труды Национальной академии наук. 105 (41): 15938–15943. Bibcode:2008PNAS..10515938C. Дои:10.1073 / pnas.0805313105. ISSN  0027-8424. ЧВК  2572968. PMID  18838679.
  29. ^ Капплер, Андреас; Паскеро, Клаудиа; Konhauser, Kurt O .; Ньюман, Дайан К. (2005). «Осаждение полосчатых железистых образований аноксигенными фототрофными Fe (II) -окисляющими бактериями». Геология. 33 (11): 865. Bibcode:2005Гео .... 33..865K. Дои:10.1130 / g21658.1.
  30. ^ а б Konhauser, Kurt O .; Хамаде, Тристан; Raiswell, Роб; Моррис, Ричард С .; Феррис, Ф. Грант; Саутэм, Гордон; Кэнфилд, Дональд Э. (2002-12-01). «Могли ли бактерии образовать докембрийские полосчатые железные образования?». Геология. 30 (12): 1079–1082. Дои:10.1130 / 0091-7613 (2002) 030 <1079: CBHFTP> 2.0.CO; 2. ISSN  0091-7613.
  31. ^ Кэрнс-Смит, А.Г. (1978-12-21). «Фотохимия докембрийских растворов, обратная сегрегация и полосчатые образования железа». Природа. 276 (5690): 807–808. Bibcode:1978Натура 276..807C. Дои:10.1038 / 276807a0.
  32. ^ Фаркуар, нуль; Бао, ноль; Thiemens, null (2000-08-04). «Атмосферное влияние самого раннего цикла серы Земли». Наука. 289 (5480): 756–759. Bibcode:2000Sci ... 289..756F. Дои:10.1126 / science.289.5480.756. ISSN  1095-9203. PMID  10926533. S2CID  12287304.
  33. ^ Копп, Роберт Э .; Киршвинк, Джозеф Л .; Hilburn, Isaac A .; Нэш, Коди З. (9 августа 2005 г.). "Палеопротерозойский снежный ком Земля: климатическая катастрофа, вызванная эволюцией кислородного фотосинтеза". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 102 (32): 11131–11136. Bibcode:2005PNAS..10211131K. Дои:10.1073 / pnas.0504878102. ISSN  0027-8424. ЧВК  1183582. PMID  16061801.
  34. ^ Pan, N .; Имлай, Дж. А. (2001-03-01). «Как кислород подавляет центральный метаболизм в облигатном анаэробе Bacteroides thetaiotaomicron». Молекулярная микробиология. 39 (6): 1562–1571. Дои:10.1046 / j.1365-2958.2001.02343.x. ISSN  0950-382X. PMID  11260473.
  35. ^ Паттерсон, Клэр (1956-10-01). «Возраст метеоритов и земли». Geochimica et Cosmochimica Acta. 10 (4): 230–237. Bibcode:1956GeCoA..10..230P. Дои:10.1016/0016-7037(56)90036-9.
  36. ^ Wilde, S.A .; Valley, J. W .; Peck, W. H .; Грэм, К. М. (11 января 2001 г.). «Доказательства существования континентальной коры и океанов на Земле 4,4 млрд лет назад по обломочным цирконам». Природа. 409 (6817): 175–178. Bibcode:2001 Натур 409..175 Вт. Дои:10.1038/35051550. ISSN  0028-0836. PMID  11196637.
  37. ^ Тардуно, Джон А .; Блэкман, Эрик Дж .; Мамаджек, Эрик Э. (2014-08-01). «Обнаружение самого старого геодинамо и сопутствующей защиты от солнечного ветра: последствия для обитаемости». Физика Земли и планетных недр. 233: 68–87. arXiv:1502.04410. Bibcode:2014ПЭПИ..233 ... 68Т. Дои:10.1016 / j.pepi.2014.05.007.
  38. ^ Larson, Roger L .; Хильде, Томас В. К. (1975-06-10). «Пересмотренная временная шкала магнитных инверсий для раннего мела и поздней юры». Журнал геофизических исследований. 80 (17): 2586–2594. Bibcode:1975JGR .... 80.2586L. Дои:10.1029 / JB080i017p02586. ISSN  2156-2202.
  39. ^ Curry, J. A .; Schramm, J. L .; Эберт, Э. Э. (1996-01-01). «Механизм обратной связи между климатом и альбедо морского льда». Обзор океанографической литературы. 2 (43). ISSN  0967-0653.
  40. ^ Уокер, Джеймс С. Дж .; Hays, P. B .; Кастинг, Дж. Ф. (1981-10-20). «Механизм отрицательной обратной связи для долговременной стабилизации температуры поверхности Земли». Журнал геофизических исследований: океаны. 86 (C10): 9776–9782. Bibcode:1981JGR .... 86.9776W. Дои:10.1029 / JC086iC10p09776. ISSN  2156-2202.
  41. ^ Фойльнер, Георг (01.06.2012). «Проблема слабого молодого Солнца». Обзоры геофизики. 50 (2): RG2006. arXiv:1204.4449. Bibcode:2012RvGeo..50.2006F. Дои:10.1029 / 2011RG000375. ISSN  1944-9208.
  42. ^ Справка, Дом генетики. "Что такое ген?". Справочник по генетике. Получено 2016-05-26.
  43. ^ а б c Ней, М., и Кумар, С. (2000). Молекулярная эволюция и филогенетика. Издательство Оксфордского университета.
  44. ^ Смит, Эндрю Б .; Петерсон, Кевин Дж. (01.01.2002). «Датировка времени происхождения основных кладов: молекулярные часы и летописи окаменелостей». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах. 30 (1): 65–88. Bibcode:2002AREPS..30 ... 65S. Дои: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. Дои:10.2307/4444260. ISSN  0002-7685. JSTOR  4444260.
  46. ^ Hanson, R. S .; Хэнсон, Т. Э. (1996-06-01). «Метанотрофные бактерии». Микробиологические обзоры. 60 (2): 439–471. Дои:10.1128 / MMBR.60.2.439-471.1996. ISSN  0146-0749. ЧВК  239451. PMID  8801441.
  47. ^ Холмс, Эндрю Дж .; Оуэнс, Ник Дж. П .; Мюррелл, Дж. Колин (1 января 1995 г.). «Обнаружение новых морских метанотрофов с использованием филогенетических и функциональных генов после обогащения метаном». Микробиология. 141 (8): 1947–1955. Дои:10.1099/13500872-141-8-1947. PMID  7551057.
  48. ^ Luesken, Francisca A .; Чжу, Баоли; Ален, Тео А. ван; Батлер, Маргарет К .; Диас, Марина Родригес; Сонг, Бонгкеун; Кэмп, Хуб Дж. М. Оп ден; Jetten, Mike S.M .; Этвиг, Катарина Ф. (01.06.2011). «Праймеры pmoA для обнаружения анаэробных метанотрофов». Прикладная и экологическая микробиология. 77 (11): 3877–3880. Дои:10.1128 / AEM.02960-10. ISSN  0099-2240. ЧВК  3127593. PMID  21460105.
  49. ^ а б Riesenfeld, Christian S .; Schloss, Patrick D .; Хандельсман, Джо (2004-01-01). «Метагеномика: геномный анализ микробных сообществ». Ежегодный обзор генетики. 38: 525–552. CiteSeerX  10.1.1.526.482. Дои:10.1146 / annurev.genet.38.072902.091216. ISSN  0066-4197. PMID  15568985.
  50. ^ а б Гротцингер, Джон П .; Нолл, Эндрю Х. (1999). «СТРОМАТОЛИТЫ В ДОКАМБРИЙСКИХ КАРБОНАТАХ: ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ВЕЩИ ИЛИ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ МЕРЫ» Ежегодный обзор наук о Земле и планетах. 27 (1): 313–358. Bibcode:1999AREPS..27..313G. Дои:10.1146 / annurev.earth.27.1.313. PMID  11543060.
  51. ^ Hofmann, H.J .; Gray, K .; Hickman, A.H .; Торп, Р. И. (1999-08-01). "Хофманн, Х. Дж., Грей, К., Хикман, А. Х. и Торп, Р. I. Происхождение конических строматолитов 3,45 млрд лет в группе Варравуна, Западная Австралия. Geol. Soc. Am. Bull. 111, 1256-1262". Бюллетень Геологического общества Америки. 111 (8): 1256–1262. Bibcode:1999GSAB..111.1256H. Дои: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-е.
  53. ^ а б c L, Слончевски, Жанна; У, Фостер, Джон (01.10.2013). Микробиология: развивающаяся наука: третье международное студенческое издание. W. W. Norton & Company. ISBN  9780393923216.
  54. ^ Стабильные изотопы и отношения углерода и воды растений. Эльзевир. 2012-12-02. ISBN  9780080918013.
  55. ^ а б Макколлом, Томас М. (1 января 2013 г.). «Миллер-Юри и другие: что мы узнали о реакциях пребиотического органического синтеза за последние 60 лет?». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах. 41 (1): 207–229. Bibcode:2013AREPS..41..207M. Дои:10.1146 / аннурьев-земля-040610-133457.
  56. ^ Шарф, Калеб; Дева, Натаниэль; Кливз, Х. Джеймс; Аоно, Масаси; Обер-Като, Натанаэль; Айдыноглу, Арсев; Бараона, Ана; Баржа, Лаура М .; Беннер, Стивен А. (01.12.2015). «Стратегия исследования истоков жизни». Астробиология. 15 (12): 1031–1042. Bibcode:2015AsBio..15.1031S. Дои:10.1089 / ast.2015.1113. ISSN  1531-1074. ЧВК  4683543. PMID  26684503.
  57. ^ «Астробиология НАСА». astrobiology.nasa.gov. Получено 2016-05-26.
  58. ^ Лавлок, Джеймс (28 сентября 2000). Гайя: новый взгляд на жизнь на Земле. ОУП Оксфорд. ISBN  9780191606694.
  59. ^ Shock, Everett L .; Бойд, Эрик С. (01.12.2015). «Основы геобиохимии». Элементы. 11 (6): 395–401. Дои:10.2113 / gselements.11.6.395. ISSN  1811-5209.
  60. ^ Друщель, Грегори К .; Капплер, Андреас (01.12.2015). «Геомикробиология и микробиологическая геохимия». Элементы. 11 (6): 389–394. Дои:10.2113 / gselements.11.6.389. HDL:1805/10102. ISSN  1811-5209.
  61. ^ «Геомикробиология». Университет Хельсинки. 2017-01-27. Получено 2020-02-09.
  62. ^ Brocks, Jochen J .; Логан, Грэм А .; Бьюик, Роджер; Вызов, Роджер Э. (1999-08-13). «Архейские молекулярные окаменелости и ранний рост эукариот». Наука. 285 (5430): 1033–1036. CiteSeerX  10.1.1.516.9123. Дои:10.1126 / science.285.5430.1033. ISSN  0036-8075. PMID  10446042.
  63. ^ Knoll, Эндрю Х. (22 марта 2015 г.). Жизнь на молодой планете: первые три миллиарда лет эволюции на Земле. Издательство Принстонского университета. ISBN  9781400866045.
  64. ^ Эваристо, Джайвиме; Ясечко, Скотт; Макдоннелл, Джеффри Дж. (2015). «Глобальное отделение транспирации растений от грунтовых вод и речного стока». Природа. 525 (7567): 91–94. Bibcode:2015Натура.525 ... 91E. Дои:10.1038 / природа14983. PMID  26333467.
  65. ^ Хорошо, Стивен П .; Нет, Дэвид; Боуэн, Габриэль (10.07.2015). «Гидрологическая связность ограничивает разделение глобальных наземных водных потоков». Наука. 349 (6244): 175–177. Bibcode:2015Научный ... 349..175G. Дои:10.1126 / science.aaa5931. ISSN  0036-8075. PMID  26160944.

внешняя ссылка