Eocénne globálne oteplenie – doba vývoja rozmanitých biokompasov  
Pred 55timi miliónmi rokov žili v pobrežných vodách a sedimentoch mikroorganizmy, ktoré zanechali vo fosílnom zázname odkaz v podobe zvláštnych biominerálnych súčastí bunkových organel, ktoré pravdepodobne slúžili na navigáciu pomocou magnetického poľa.


Asi 63,7 miliónov rokov trvajúci terciér (treťohory) zahŕňa periódu paleogénu (paleocén, eocén, oligocén) a časť neogénu (miocén a pliocén). Stratigrafické delenie vzniklo na základe diverzity fosílneho planktónu. Zdroj: Wikipedia

Pred asi 55,8 miliónmi rokov sa udialo niečo, čo by sme v súčasnosti považovali asi za najdramatickejšiu katastrofu – povrch našej planéty sa pomerne prudko oteplil v priemere o 6 až 9 stupňov a táto teplota sa s menšími výkyvmi udržala asi 20 tisíc rokov. Stalo sa to na začiatku terciéru (treťohôr), chronograficky presnejšie medzi prvou a druhou epochou paleogénnej periódy: medzi paleocénom a eocénom. Preto túto výraznú klimatickú zmenu nazývame paleocénno – eocénnym teplotným maximom (PETM; viď. časť stratigrafickej tabuľky a grafy teplôt).

Z hľadiska geologickej histórie Zeme však išlo o kratší klimatický výkyv, ktorý sa udial v rámci dlhodobej, asi 6 miliónov rokov trvajúcej éry s nadpriemernou teplotou klímy. Sedimenty, ktoré vznikli v týchto dávnych dobách a zachovali sa do súčasnosti, pomáhajú odhaľovať vplyv týchto zmien na pozemský život. Aj na mikroskopickej úrovni.

Graf priebehu teplotných zmien na povrchu Zeme za posledných 65 miliónov rokov, teda od začiatku treťohôr. Vľavo hore je časť grafu prislúchajúca paleocénno – eocénnemu teplotnému maximu s extrémom, ktoré sa viaže k dlhodobejšej, milióny rokov trvajúcej perióde zvýšenej teploty a ktoré sa nazýva paradoxne eocénnym optimom. Zdroj: New Scientist

Zmena povrchovej teploty na Zemi za uplynulých 600 miliónov rokov (modrá krivka) a jej súvis s atmosférickým obsahom CO2 (čierna krivka). Mierka vpravo prislúcha grafu priemernej teploty.

Zdroj American Physical Sites




Zvětšit obrázek
„Až“ 4 mikrometre veľké a 55 miliónov staré kryštály biomagnetitu v tvare hrotu kopije sú 8 krát väčšie ako doteraz najväčší známy typ biomagnetického kryštálu. Bol súčasťou tela dávneho vyššieho organizmu, než prokaryotickej baktérie? Na jeho povrchu sú drobné biomagnetity z tiel pradávnych magnetotaktických baktérií.

Pred desiatimi rokmi vyvŕtali v americkom štáte New Jersey niekoľko geologických prieskumných vrtov do hĺbky pod 200, respektíve pod 300 m. Ich vrtné jadrá poskytli vzorky treťohorných až druhohorných usadenín. Geobiológovia z Caltech-u (Kalifornský technický ústav) a Univerzity McGilla v Montreale (kanadský Quebec) si vybrali ílovitý sediment spred 55 miliónov rokov, z obdobia PETM a podrobne ho preskúmali. Vzorky na jemno rozdrobili vo vode a potom pomocou magnetu vybrali magnetické čiastočky, na ktoré sa pozreli pomocou elektrónového mikroskopu.

Očakávali síce, že nájdu zrniečka biogénneho magnetitu (Fe304) z tiel prehistorických magnetotaktických baktérií (vysvetlenie v závere), ale ich množstvo, veľkosť a tvary presiahli aj tie najodvážnejšie predstavy. V mikroskope uzreli aj zvláštne, doposiaľ nepozorované kryštáliky obojstranne zahroteného oválneho, hrot kópie pripomínajúceho tvaru, s veľkosťou "až" 4 mikrometre (4 tisíciny milimetra). Je to síce asi len desatina hrúbky ľudského vlasu, ale aj tak 8 krát viac, než má rozmery najväčší doteraz známy typ biomagnetického kryštálu. Prekvapenie však spôsobil najmä objav guľovitého, hlavicu stredovekého palcátu pripomínajúceho zoskupenia takýchto kopijovitých kryštálikov, ktoré vedci pracovne nazvali “magnetická mŕtva hviezda”. Predstavuje zachovanú pôvodnú formu biominerálu tak, ako sa nachádzal v organizme? Vyvinul sa tento, možno už komplexnejší eukaryot na začiatku paleocénno – eocénneho teplotného maxima a zanikol potom spolu s ním? Alebo sme ho len doposiaľ neodhalili v mladších usadeninách, či dokonca medzi súčasnými organizmami?

Otázky bez známych odpovedí sú výzvou. Jeden zo spoluautorov článku, ktorý sa 21. októbra objavil v časopise PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA), Robert Kopp z Princetonskej univerzity uvažuje aj o možnosti, že by mohlo ísť o súčasť akéhosi ochranného panciera. K tejto hypotéze ho motivuje druh slimáka, žijúceho v blízkosti hlbokomorských hydrotermálnych sopečných prieduchov v Indickom oceáne. Podobný materiál používa na tvorbu ochrannej vrstvy svojho tela. Vylučuje takto jedovaté sulfidy, ktoré sa z okolia do jeho tela dostávajú a súčasne sa tak bráni proti predátorom. Kopp k výsledkom práce dodáva: „Kontinentálny šelf stredoatlantických štátov USA (New Jersey, New York a Pennsylvania) musel byť počas paleocénno – eocénneho teplotného maxima veľmi bohatý na železo, podobne ako je súčasný šelf pri ústí Amazonky. Tieto fosílie možno rozprávajú príbeh o radikálnej enviromentálnej zmene: predpokladajú existenciu Amazonke podobnej rieky, ktorá minimálne príležitostne tiekla tam, kde dnešná rieka Potomac.“

Zvětšit obrázek
Kryštály kopijovitých biomagnetitov (Fe304) usporiadaných do zvláštnej guľovej formácie, ktorú jej objavitelia nazvali “magnetická mŕtva hviezda”. Je nepochybne organického pôvodu, ale v akom organizme sa nachádzala a na čo slúžila, to ostáva záhadou.



Okrem týchto zvláštnych kopijovitých kryštálov podstatnú zložku medzi separovanými magnetickými čiastočkami tvorili zrnká magnetitu s tvarom hexaoktaedrických hranolov do veľkosti 1.4 mikrometra. Zloženie, charakter kryštálovej mriežky a zastúpenie izotopov kyslíka v týchto drobných kryštálikoch magnetitu odhaľujú ich pôvod – sú dielom dávnych magnetotaktických baktérií, ktoré žili vo vodnom prostredí. Hoci aj v súčasnosti ich potomkovia patria medzi bežné druhy baktérií, množstvo a rozmanitosť druhov v dobe paleocénu odrážalo oteplenie klímy, ktoré podnietilo procesy zvetrávania a sedimentácie a vytvorenie na železité zlúčeniny bohatého pobrežného biotopu na hranici vody a súše. Prostredia vhodného pre život a vývoj rôznych prokaryotických (možno aj eukaryotických) organizmov, ktoré v tele vytvárali biomagnetické kryštáliky. Súčasné magnetotaktické baktérie ich používajú na orientáciu v smere nahor – nadol a je veľmi pravdepodobné, že to bolo tak aj v minulosti.

Zvětšit obrázek
Siločiary dipólového geomagnetického poľa. Voľne zavesená magnetka by neukazovala len smerom od pólu k pólu, ale by bola sklonená od horizontály pod uhlom, ktorý sa nazýva magnetická inklinácia. A tá je pre orientáciu magnetotaktických baktérií dôležitá.

O živých jednobunkových kompasoch
Predstavte si drobnú prokaryotickú baktériu, menšiu ako tisícina milimetra, žijúcu vo vodnom prostredí, alebo vo zvodnených príbrežných sedimentoch. Nemá vyvinuté patričné zmysly a ešte aj ten Archimedov zákon jej pri nepatrnej váhe bráni pomocou gravitácie vnímať smer hore - dolu. Lenže, aby prežila, musí sa pohybovať v určitom, pre ňu vhodnom hĺbkovom horizonte, najčastejšie na rozhraní prechodu z oxidačného prostredia na redukčné. Čo urobí, keď sa dostane príliš nad, alebo príliš pod vhodnú úroveň? Bude plávať v smere meniaceho sa gradientu. A pritom jej môže pomôcť magnetická navigácia. My sme zvyknutí na to, že strelka kompasu smeruje vo vodorovnej rovine severo-južným smerom, ale ak by bola zavesená voľne, mala by aj určitý sklon smerom k zemi – presne pozdĺž dotyčnice k lokálnym magnetickým siločiaram (viď. obrázok). Tento sklon sa nazýva magnetická inklinácia a pomáha baktérii sa zorientovať pri pohybe smerom nahor, alebo nadol. Táto vlastnosť sa nazýva magnetotaxia, preto sa príslušné baktérie nazývajú magnetotaktické. V ich jednobunkovom tele sa vyvinula organela – magnetozóm, ktorý obsahuje mikroskopické kryštáliky magnetitu – podvojného kysličníka železnato-železitého (Fe304, ak baktéria žije vo viac oxidačnom prostredí, alebo sírnika greigitu (Fe3S4), ak jej vyhovuje prostredie s nedostatkom kyslíka. Oba minerály majú vlastnú magnetizáciu, pričom magnetit asi tri krát vyššiu než greigit. V magnetozómoch je v priemere 15 až 20 takýchto, 35 – 120 nanometrov (35 – 120 milióntin milimetra) veľkých kryštálikov, usporiadaných do radu v podobe akejsi retiazky vo vnútri bunky. Pričom dipólové magnetické momenty týchto miniatúrnych magnetiek sú orientované paralelne rovnakým smerom. Spolu tak tvoria doslova strelku kompasu a pomáhajú baktérií sa orientovať vo vodnom prostredí pomocou vonkajšieho geomagnetického poľa. Lipidovo-proteínový obal, ktorý udržuje zoskupenie magnetitov v takomto lineárnom usporiadaní vznikol preliačením vnútornej plazmatickej membrány bunky. Väčšina druhov magnetotaktických baktérií má jeden takýto magnetozóm, niektoré aj dva. Vďaka nim jednobunkový organizmus vníma kde je sever. Na severnej pologuli je to aj smerom nadol, na južnej zas aj nahor.


Video, ktoré v časovej lupe znázorňuje pohyb magnetotaktických baktérií v meniacom sa, umelo vytvorenom magnetickom poli. Smer poľa je zobrazený v ľavom hornom rohu:

Zvětšit obrázek
Magnetospirillum magneticum

Zvětšit obrázek
Snímky z elektrónového mikroskopu – rôzne typy magnetozómov. Zdroj: Max-Planck-Gesellschaft


Tento orientačný mechanizmus sa pravdepodobne vyvinul v rannom proteorozoiku – v starohorách, keď zvýšenie obsahu atmosférického kyslíka zredukovalo množstvo železa rozpusteného v morskej vode. Organizmy začali uskladňovať železo v jeho rozmanitých formách a z tohto vnútrobunkového železa sa neskôr mohli vytvoriť magnetozómy a vlastnosť magnetotaxie.

Prvé magnetotaktické baktérie sa pravdepodobne podieľali pri vývoji eukaryotických buniek, pretože veľmi podobný biogénny magnetit sa nachádza aj v telách vyšších organizmov, napríklad u eukarytickej euglémy, ale aj v navigačnom orgáne holuba.


Zdroj: PNAS, Science Daily, Nature news, Wikipedia



Datum: 24.10.2008 15:52
Tisk článku

1+1=1 - Archibald John
 
 
cena původní: 318 Kč
cena: 283 Kč
1+1=1
Archibald John

Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace