Starsze znaleziska organizmów żywych.
Jak nie trudno się domyśleć znaleziska organizmów żywych notowane są już w skałach okresie liczących kilka miliardów lat.
SLAJD 1rok6
Kanada - okolice Ontario, gdzie Stanley Tyler badając w 1953 tzw. formację Guntflint (2.1 mld lat) z bogatymi złożami żelaza znalazł krzemionkowe czerty przepełnione substancją węglistą oraz z występującymi w niej strukturami tzw. Cryptozoon i rozpoczął badania mikroskopowe.
Struktury Cryptozoon były znane od dawna, np. z USA i opisane już w 1883 roku jako struktury glonowe (w formie raf) zbudowane z powyginanych warstewek wapienia - jasnych i ciemnych o prawdopodobnie biologicznej genezie pod nazwą Cryptozoon. Te pochodzenie tyc struktur było powszechnie kontestowane i wyśmiewane.
Badania Tylera niewątpliwie dowiodły istnienia licznych organizmów prawdopodobnie glonów, które co dziwniejsze pojawiały się między warstewkami Cryptozoon. Tyler i jego współpracownicy opublikowali to w Science w 1954 roku - ale bali się napisać o tym, że współtworzyły one warstewki Cryptozoon, gdyż biologiczne pochodzenie tej skamieniałości było kontestowane i nie chcieli się narażać.
SLAJD Bitter springs
Inne stanowisko - Bitter Springs. Badał je w 1965 roku William Schopf. Australia (850 mln). Okazały się one rewelacyjne ze względu na stan zachowania skamieniałości.
Wiele form opisanych miało postać nitek, sfer (nawet z podwójną ścianą) czy też grup komórek z dobrze zachowanym śluzowatymi otoczkami, komórkami w stadium podziałów, wnętrzem komórek.
Stanowisk tych jest dziś oczywiście więcej.
Badania te można przeprowadzić w dwojaki sposób - macerując próby - czyli usuwając wszystkie substancje, które mają charakter zbędny. Drugi sposób - płytki cienkie.
Podsumowując te wszystkie znaleziska można te wszystkie znalezione komórkowate formy opisać jako:
SLAJD formy nitkowate
formy nitkowate, formy dwuwarstwowe, formy przypominające pierwotniaki (rzadkie), (formy nitkowate z próbek macerowanych, czyli takich z których na skutek działania silnymi kwasami usunięto wszystkie zbędne substancje,
SLAJD formy sferoidalne
formy spheroidalne z widocznymi stadiami podziału komórek, czasem z otoczkami śluzowymi i formy o mniej definiowalnych kształtach (z jądrem?)
SLAJD najstarsze stanowiska
czert Apex Australia - 3.5 mld (W. Schopf, 1992, 1993)
Swaziland - S. Afryka - 3.5 mld - komórki w stadiach podziałów.
Swaziland - S.Afryka - 3.5 mld - komórki w stadiach podziałów.
Autorem pracy był Barghoorn i Knoll (Science 1977). Zdaniem ich biologiczna natura obiektów opiera się na tym, że składają się one z węgla i okazjonalnie zawierają materię organiczną w środku, populacja ma średni rozmiar około 2,5 mikrona (między 1 a 4 mikrona). Również obserwowane obiekty nie mają jednorodnego kształtu i zachowują się tak jak komórki - mają wpuklenia, są spłaszczone a także obserwowane są komórki w stadiach podziałów.
SLAJD czert Apex - Braiser
W 1992 rok Martin Braiser i inni silnie krytykują skamieniałości opisane z tego czertu. Praca w Nature. Same położenie znaleziska było dość dziwne - była to czertowa brekcja tkwiąca w żyle. Na wykonanych płytkach rzeczywiście widać jakieś wyciągnięte struktury - ale nie są one zbyt podobne do członowanych sinic.
SLAJD Czert Apex - konkluzje
Ci badacze również wykonali płytki cienkie. Kontestują oni biologiczną naturę znaleziska. Zdaniem ich te struktury są wynikiem hydrotermalnych procesów gdy gazy wulkaniczne kanałami przedostawały się do powierzchni. Są to prawdopodobnie rozciągnięte fragmenty grafitu.
Jakie grupy mogą reprezentować te organizmy.
SLAJD grupy organizmów
Organizmy żywe możemy podzielić na trzy główne grupy:
Dwie pierwsze łączone są często w grupę Procaryota
1 - Eubacteria - bezjądrowce, obejmujące m.in. fotosyntetyzujące sinice, produkujące tlen,
2 - Archaeabacteria - bezjądrowce, wytwarzające np. metan, ekstremofile (silne halofile, termofile).
Te dwie grupy łączone są w królestwo Procaryota
3 - Eucaryota - z jądrem.
Archaeobacteria są prawdopodobnie najstarszymi znanymi organizmami na Ziemi. O ich zaawansowanym wieku świadczy też ich współczesne środowisko życia, przypominające ekstremalne warunki panujące na globie w jego początkowej historii - wody termalne, środowisko beztlenowe.
SLAJD współczesne Cyano
Przyjrzyjmy się bliżej Cyanobacteria. Każdy z nas je zna - gdy np: przechodzimy po bardzo śliskich kamieniach zanurzonych w strumieniu, czy widzimy zakwity sinic w zbiornikach wodnych.
Cechy Cyanobacteria - fotosyntetyzujące, słodkowodne (najliczniejsze), morskie, lądowe, naśnieżne (zielony śnieg), endolityczne w Arktyce, Antarktyce, i na obszarach suchych, ale także endolitycznie w morskich wapieniach (np. oolity), gorące źródła gdzie wytrąca wapienie wytrącające wapienie w morzach.
A zatem są to środowiska b. trudne i często ekstremalne. Można je spotykać je w preparatach z pyłkiem i gliceryną po procesie maceracji.
SLAJD Nostocales
Jakie przybierają formy morfologiczne- głównie formy nitkowate.
SLAJD Oscillatoriales
Formy nitkowate.
SLAJD Oscillatoriales
Oscillatoria sp. - ciekawy i wszędobylski rodzaj, plankton, bentos, skały, gorące źródła, gleby. Posiada zdolność ruchu dzięki falowym ruchom nitek i wydzielanemu śluzowi (zobaczyć to można po zabarwieniu jodyną - na końcu nitek pozostaje ślad śluzowatej substancji), ale tylko wtedy, gdy posiada kontakt z podłożem. Przez pory wydziela kleistą substancję utrzymującą kontakt z podłożem. Tempo ruchu zmierzone dla jednego z gatunków ok. 11 mikronów na sekundę (ale inne dane kilka milimetrów na godzinę). Powoduje eutroficzne zakwity, podrażnienia skóry i śluzówek po kąpieli w tropikach. Również produkuje neurotoksyny groźne dla zwierząt i ludzi.
SLAJD Chroococcales
Formy sferoidalne.
SLAJD Stigonematales
Formy rozgałęzione.
Nie trudno się domyślać, że te współczesne kształty prawie dokładnie odpowiadają tym spotykanym w prekambrze. Nadawane nazwy - ze względu na ubogość danych kopalnych o nich (znany tylko ogólny kształt bez bliższych szczegółów o ultra budowie) - nawiązują często do gatunków współczesnych jeśli były do nich podobne. Stąd współczesny rodzaj Nostoc - nazwano Paleonostoc, Scytonema - Paleoscytonema. Reprezentowane są w stanie kopalnym główne grupy sinic współcześnie wyróżniane - Chroococcacea, Oscillatoriacea, Pleurocapsacea, Nostocacea - inne.
Sinice oczywiście występowały i były notowane na strukturach, które opisywane były jako kopalny organizm Cryptozoon. Czym jest Cryptozoon obecnie.
Kontrowersje trwały do lat 60-tych. Część badaczy uważała je struktury nieorganiczne, inni za organiczne. I to pomimo tego, że bardzo podobne układy biologiczne - w postaci tzw. mat sinicowych były znane biologom od dawna.
SLAJD stomatolit
Dopiero odkrycie współcześnie występujących struktur w Shark Bay - podobnych do kopalnych - nazwanych stromatolitami rozwiało wątpliwości. Cryptozoon jest zatem fragmentem kopalnego prekambryjskiego stromatolitu. Kształty stromatolitów - zależne od dynamiki środowiska.
SLAJD 1rok18
Jakie cechy mają współczesne stromatolity - czyli STRUKTURY MINERALNO-BIOLOGICZNE a nie KOPALNE ORGANIZMY!!!!.
A - jest strukturą powstałą w wyniku procesów biologicznych i sedymentacyjnych, matą złożoną ze śliskich kolonii różnorodnych sinic ,,zakonserwowaną,, i sfosylizowaną najczęściej poprzez związaną z jakimś wydarzeniem sedymentację warstewek węglanowych czy generalnie mineralnych,
B - organizmy, które ją tworzą są to przede wszystkim śluzowate fotoautotrofy - głównie sinice, co powoduje, że w sprzyjających warunkach następuje przyczepienie się mułu mineralnego i powstanie kolejnej warstewki.
Jeśli przekroimy powierzchniową współczesną warstwę stromatolitu to:
Na schemacie B widać wierzchnią warstwę stromatolitu - warstwę sinic (jasną) i warstwę bakterii purpurowych.
Jak funkcjonuje taka mata stromatolitowa.
Na powierzchni, ze względu na niezbędność światła do fotosyntezy - otoczone śluzem występuje:
strefa sinic w postaci różnych form morfologicznych - śluz pozwala na pozostawanie w względnej wilgotności, nie pozwala na zmycie sinic przez wodę, a jednocześnie ze względu na przyczepność umożliwia przyczepienie się warstewki mineralnej. Różnogatunkowe sinice są splątane ze sobą przez formy nitkowate, które z powodu potrzeb świetlnych chcą zająć na macie jak najlepszą pozycję - mają one zdolność do pewnego powolnego ruchu. Zdolność ta - fototaksja - jest niezbędna w momencie zasypania maty przez warstwę mineralną. Muszą wydostać się na powierzchnię.
Pod warstwą sinic, występuje ocieniona warstwa
bakterii purpurowych i siarkowych. Radzą sobie te bakterie mimo ocienienia używając do fotosyntezy światła czerwonego i podczerwonego, które przedostaje się przez warstwę sinic. Do absorbcji energii słonecznej sinice używały chlorofilu ,,a,, a bakterie purpurowe i siarkowe używają innych pigmentów zdolnych absorbować długość fali podczerwonej i czerwonej.
Tlen występuje tylko w strefie sinic - był przez nie wytwarzany i jest wykorzystywany przez inne organizmy i po części w strefie środkowej, gdzie natychmiast jest konsumowany przez bakterie tlenowe (chroniące przez to bakterie dla których tlen jest zabójczy), jeśli go brak bakterie wykorzystują procesy fermentacyjne do procesów metabolicznych.
Poniżej tej strefy jest
strefa beztlenowa opanowana przez archeany i bakterie, które giną w obecności tlenu a żyją dzięki wykorzystaniu reakcji chemicznych - np. redukują siarczany.
SLAJD schemat widma
Pojawienie się sinic spowodowało na początku minimalną, ale rosnącą produkcję tlenu przy zmniejszającym się udziale CO2. Tlen początkowo był wiązany i osadzany w związkach żelaza, dopiero później ilość tlenu (także stanowiącego warstwę ochronną przed UV) wzrastała w atmosferze.
Występowanie sinic i innych organizmów w prekambrze -
SLAJD 1rok20 (tabela występowania org. w prekambrze - znanych jest ok. 4000 gatunków). Występują licznie od ok. 3500 mld lat, ale liczniej pojawiają się od mw. 2100 mld. lat.
Jak wyobrażamy zatem sobie początki życia na ziemi?
SLAJD 1rok21
Okres życia beztlenowego.
Atmosfera ta była beztlenowa - świadczą o tym znaczne złoża siarczków żelaza (FeS2 i tlenku uranu UO2) w skałach tego wieku. Są to złoża nie zwietrzałe - czyli ówczesna atmosfera musiała być beztlenowa. Dominowały organizmy heterotroficzne (cudzożywne - rozkładające) czerpiące energię z glukozy pobranej ze środowiska w wyniku procesu fermentacyjnego glikolizy. Zatem w ówczesnym pierwotnym środowisku musiała znajdować się naturalna glukoza (w tak zwanym pierwotnym bulionie bogatym w substancje organiczne).
Problem obecności azotu. Początkowo był on obecny w atmosferze w postaci amoniaku. Rozpadał się on jednak pod wpływem promieniowania ultrafioletowego. Mikroorganizmy musiały się nauczyć pozyskiwać go z silnie związanego N2. Powstał enzym, który potrafił wiązać azot atmosferyczny zwany nitrogenazą.
Podsumowując - organizmy czerpały glukozę z bulionu (atomy CHO), azot (N) z atmosfery (rzadko z amoniaku lub azotanów), a energię z procesów fermentacyjnych.
Kolejny etap to wykształcenie się możliwości pozyskiwania węgla nie z rozkładu glukozy, a z CO2 w wyniku procesu fotosyntezy - a więc wyróżnicowuje się grupa fotoautotrofów. Proces ten wraz z poprzednio wykształconym procesem syntezy glukozy dał początek fotoautotrofom rozwijającym się w warunkach beztlenowych z wykorzystaniem różnorodnych pigmentów. Jest to prymitywny typ syntezy wykorzystujący jako źródło wodoru wodór gazowy lub pozyskujący go z H2S. Produktem asymilacji nie jest tlen, ale np. może być nim siarka (pochodząca z siarkowodoru) lub woda.
Grupę tą reprezentują bakterie siarkowe i purpurowe występujące w stromatolitach pod warstwą sinic.
Do tej grupy czasowej należy zaliczyć beztlenowe, chemosyntetyzujące archeany.
W przypadku ostatniej grupy są dowody izotopowe na ich wczesne występowanie w postaci archeanów produkujących metan. W organizmach żywych dochodzi do frakcjonowania izotopów - a więc w skamieniałościach lub pozostałościach po nich występuje pewien stosunek izotopów dla nich charakterystyczny.
Okres życia tlenowego
Fotoautotrofia tlenowa
Następny etap to formy życia fotoautotroficznego (bardziej postępowe) oparte na reakcjach fotosyntetycznych wykorzystujących wodę jako źródło wodoru - przykładem są sinice. W wyniku rozszczepienia cząsteczki wody wydzielany jest tlen - zabójczy dla bakterii beztlenowych. Ale tlen jest też konsumowany. Jest to jednak rekompensowane przez zdecydowanie większą możliwość zasiedlania nowych obszarów bogatych w wodę w stosunku do typu fotosyntezy w warunkach beztlenowych.
Heterotrofia tlenowa
Jednocześnie wykształciło się dość skomplikowane oddychanie oparte na tlenie (również u organizmów heterotroficznych z wydzielaniem dwutlenku węgla i uwalnianiem energii). Stało się tak dlatego ponieważ tlenu było coraz więcej i jego naturalna łatwa właściwość do łączenia się z substancją organiczną wyzwalała duże ilości energii.
Badaniami w Polsce zajmuje się prof. Każmierczak, Science, Nature.
Kolejnym krokiem jest pojawianie się w prekambrze organizmów eukarjotycznych.
Zanim przejdziemy do roślin usiłujących wyjść na ląd warto wspomnieć o kilku grupach nie naczyniowych roślin niższych - glonów, które z powodu tego, ze występują licznie w stanie kopalnym zasługują nad uwagę geologów.
SLAJD krasno1
SLAJD krasno2
Pierwsza grupa glonów to krasnorosty:
Rhodophyta
Wyróżnione m.in. ze względu na obecność charakterystycznych barwników asymilacyjnych przyswajających inne pasma widma słonecznego (niebieskie) niż barwniki chlorofilowe. Pasmo niebieskie dociera zdecydowanie głębiej w toń wodną niż te pochłaniane przez chlorofil i karotenoidy. Dominujący, co jest związane z obecnością barwnika asymilacyjnego jest czerwonawy kolor plechy.
Wielkość - kilkanaście, kilkadziesiąt centymetrów. Morfologia plechy bardzo różnorodna. Kształty zróżnicowane na część liściowatą i trzonkowatą lub zróżnicowane grzbietobrzusznie.
Do grupy tej należą gatunki zawierające w ścianach komórkowych pektyny będące podstawą galaretek - agar agar.
SLAJD corralina 1 Lithothamnion
Najbardziej interesujące dla geologów są grupy których plechy podlegały wapnieniu - z rodziny Corallinaceae - reprezentowane np. przez rodzaje Corallina i Lithothamnion. Plechy te składają się najczęściej z posklejanych systemów równolegle biegnących nici, tworzących bardzo różne formy wzrostowe - bulaste o w warstwach posklejanych nici tworzących ,,sękaczowe'' kompleksy, krzaczkowate, płatkowate.
SLAJD wygląd w skałach
Na przekrojach przez skały widzimy różne formy wzrostowe - obrastające, krzaczkowate, płatkowate. Składają się one z równolegle biegnących nici inkrustowanych węglanem wapnia.
SLAJD formy
Często formy te mogą być bardzo masywne - u rodzajów zorientowanych dorsoventralnie (doskonale zachowujące się w stanie kopalnym) składając się ze zwapniałych, równolegle biegnących nici tworzących nawet różne ich układy, według wyglądu których (ilość warstw nici, widoczne lub nie sezonalne warstwy przyrostowe hypo i perithallusa, obecność konceptakli i ich zróżnicowanie) identyfikujemy poszczególne gatunki. Można tam wyróżnić systemy nici bazalnych - hypothallus i perithallus - nici peryferycznych, silnie zwapniałych.
SLAJD konceptakle
W tych ostatnich często można spotkać tzw. konceptakle - organy służące do rozmnażania - w nich są umieszczone sporangia.
Badania i oznaczanie rodzajów odbywa się przez ogląd szlifów cienkich robionych ze skał. Wnioski z analizy występujących rodzajów - dotyczą zróżnicowanej dynamiki środowiska w jakiej występowały poszczególne typy wzrostowe.
Wnioski z analizy występujących rodzajów - dotyczą zróżnicowanej dynamiki środowiska w jakiej występowały.
Część gatunków nie potrzebuje stałego podłoża formując nie związane z nim tzw. rodolity czyli różnego rodzaju bulwiaste formy nie połączone z podłożem (w wodach o bardzo dużej dynamice) tworzące nawet własne warstwy skalne.
Występowanie Corallinaceae - najliczniej kreda, trzeciorzęd - dziś mniej liczne.
SLAJD solenopora
Inna rodzina o wapniejących plechach Solenoporaceae.
Pierwsze dane - prekambr. Ale problematyczne. Pierwsze liczne skamieniałości pojawiają się w kambrze. Jedną z nich jest Solenopora (kambr - jura) z Solenoporaceae - blisko spokrewnionej z rodziną Corallinaceae, z bardzo charakterystycznym czerwonawym zabarwieniem spowodowanym przez krasnorostowy barwnik fikoerytrynę. Tworzy ona masywne bulaste formy o charakterystycznych liniach przyrostowych tworzone przez równolegle posklejane nici składających się z komórek. Jego cechą charakterystyczną jest posiadanie dość dużych komórek w przekroju - do 100 mikronów (Lithothamnion 15 - 25 mikronów).
SLAJD Solenopora spongioides
Okazało się (2004), że część stwierdzanych okazów (np. z ordowiku, dolnego syluru) nie są to pozostałości po krasnorostach, ale prawdopodobnie po kopalnych chetetidowych gąbkach. Różnią się zatem od krasnorostów ultrastrukturą - na przekrojach poprzecznych posiadają kwiatkowaty zarys. Posiadają również niewielkie septalne wyrostki. Orginalnie Solenopora spongioides została opisana przez naszego rodaka Dybowskiego w 1877 roku jako chetetidowa gąbka. Dopiero później reinterpretowano te okazy błędnie jako krasnorosty. Co nie oznacza, że oczywiście, że okazy opisane z innych formacji skalnych nie należą do krasnorostów. Oznacza to, że w grupie Solenoporaceae część skamieniałości nie powinna być do niej zaliczana, gdyż błędnie obejmuje organizmy ze świata zwierząt i roślin. Te na slajdzie znajdywane w jurze niewątpliwie należą do krasnorostów.
W rodzaju Solenopora możemy zaobserwować warstwy przyrostowe, których natura nie jest dobrze znana. Być może ma to związek z cyklicznością świetlną i dostępnością promieni świetlnych padających w ciągu roku pod różnym kątem. Być może jest to wynik różnic temperaturowych lub zasolenia - np. w Bałtyku niektóre krasnorosty rozwijają się lepiej w zimnie inne w lecie.
SLAJD zasięgi