Formation of Silica-Containing Thrombolites: A Case Study of Visean Limestone in Fukushima Prefecture, Japan

Diep onder de golven van het verre verleden laat het leven vaak meer achter dan alleen botten of schelpen. Soms laat het rotsen achter die zijn opgebouwd door onzichtbare gemeenschappen van bacteriën en algen, bekend als microbialieten. Deze levende structuren kunnen uitgroeien tot enorme, gelaagde heuvels of vormen klonterige, sponsachtige massa's die stromatolieten worden genoemd. Al meer dan een eeuw bestuderen wetenschappers deze gesteenten om de omgevingen te begrijpen waarin ze ontstonden en de minuscule organismen die hen bouwden. Een cruciale vraag in dit vakgebied is geweest hoe bepaalde delen van deze gesteenten gevuld raken met silica, een hard, glasachtig materiaal. Terwijl sommige onderzoekers ervan uitgingen dat silica-rijke lagen in oude gesteenten direct werden opgebouwd door specifieke soorten silica-producerende organismen, vroegen anderen zich af of deze lagen later zijn gevormd, nadat het gesteente was begraven, door chemische veranderingen in de grond. Het begrijpen van het verschil is essentieel omdat het de manier verandert waarop we de geschiedenis van het leven op aarde lezen; als de silica een latere toevoeging is, vertelt het een verhaal van chemische reacties in plaats van de directe activiteit van een specifiek oeroud wezen.

In een recente studie hebben onderzoekers een specifiek deel van oude kalksteen in de prefectuur Fukushima, Japan, onderzocht om dit puzzelstuk op te lossen. Het gesteente dat zij bestudeerden dateert uit de Viseaanse tijd, een periode ongeveer 340 miljoen jaar geleden toen de aarde herstelde van een massale uitsterving en nieuwe soorten riffen begonnen te floreren. Het team richtte zich op een formatie die bekend staat als de Tateishi-formatie, die beroemd is om de donkergrijze kalksteen met fossielen van koralen en andere zeewezens. De onderzoekers waren echter minder geïnteresseerd in de grote fossielen en richtten zich meer op de microscopische textuur van het gesteente zelf. Ze ontdekten dat een groot deel van deze kalksteen een stromatoliet is, een type microbieel gesteente dat wordt gekenmerkt door een klonterige, bobbelige textuur in plaats van gladde lagen. Binnen deze klonten ontdekten ze iets ongewoons: de randen van de klonten waren rijk aan silica, en sommige delen van het gesteente bevatten ook kleine kristallen pyriet, een mineraal dat vaak "gekkersgoud" wordt genoemd.

Om te begrijpen hoe deze kenmerken zijn ontstaan, verzamelde het team tientallen gesteenteprofielen en sneed ze in dunne secties die zo dun waren dat licht erdoorheen kon vallen. Vervolgens gebruikten ze krachtige microscopen en chemische analysatoren om de verdeling van elementen binnen het gesteente in kaart te brengen. Wat ze vonden was een duidelijk patroon: het centrum van de klonterige structuren was rijk aan calcium, het hoofdbestanddeel van kalksteen, terwijl de buitenranden rijk waren aan silicium. Dit silicium vormde een duidelijke laag, soms tot drie millimeter dik, die de calciumrijke kern omringde. De onderzoekers merkten ook op dat de kleine pyrietkristallen vaak precies op de grens te vinden waren waar de siliciumlaag de rest van het gesteente raakte. Deze specifieke arrangement suggereerde dat de silica niet begon als een harde schaal gebouwd door een organisme. In plaats daarvan wees het bewijs op een proces dat plaatsvond nadat het gesteente was begraven.

De onderzoekers stellen een reeks gebeurtenissen voor die deze bevindingen verklaart zonder dat er nieuwe soorten oeroude organismen hoeven te worden verzonnen. Ze suggereren dat de klonterige structuren begonnen als dichte clusters van microscopische organismen, zoals kleine kalkvormende algen en bacteriën. Terwijl deze organismen stierven en hun resten onder lagen sediment werden begraven, begon de organische materie binnen de klonten te ontbinden. Dit ontbindingsproces verbruikte zuurstof en liet zuren vrij, wat de zuurgraad van het water dat gevangen zat in de kleine poriën van het gesteente verlaagde. Deze daling in de zuurgraad zorgde ervoor dat de omliggende kalksteen enigszins oploste, waardoor er meer ruimte ontstond. Tegelijkertijd zorgden de chemische veranderingen ervoor dat opgeloste silica, die in het poriewater zweefde, kristalliseerde en neersloeg uit de oplossing. Deze silica nestelde zich op de buitenranden van de ontende klonten, waardoor de harde, glasachtige rand ontstond die de onderzoekers observeerden. De aanwezigheid van pyriet ondersteunt dit verhaal, aangezien pyriet ontstaat wanneer bacteriën organische materie afbreken in zuurstofarme omgevingen, waarbij zwavel vrijkomt die met ijzer reageert.

De studie keek ook naar andere structuren in het gesteente, waaronder dunne, plaatachtige lagen en de oppervlakken van koraalfossielen. In beide gevallen vonden de onderzoekers vergelijkbare silica-rijke lagen. De koraalfossielen waren bijvoorbeeld vaak bedekt met een dunne laag silica die de oorspronkelijke koraaloppervlakte leek aan te tasten, wat suggereert dat de kalksteen was opgelost voordat de silica haar plaats innam. Het team sprak de mogelijkheid uit dat deze silica-lagen werden gebouwd door silica-producerende organismen zoals diatomeeën, die op dat moment in de geschiedenis van de aarde nog niet bestonden, of door de plakkerige buitenlagen van bacteriën, die veel dunnere lagen zouden hebben gecreëerd. In plaats daarvan suggereert het bewijs sterk dat de silica-lagen een secundair kenmerk zijn, een chemische korst gevormd door het verval van de oorspronkelijke microbiële gemeenschap.

Deze bevinding biedt een nieuwe manier om naar oude gesteenten te kijken. Het suggereert dat wanneer wetenschappers silica-rijke randen op microbiële structuren zien, zij niet automatisch uitgaan van een specifiek type silica-bouwend organisme. In plaats daarvan kunnen deze kenmerken het resultaat zijn van een algemeen chemisch proces: de afbraak van organische materie die de neerslag van silica triggert. Dit mechanisme vereist geen unieke omgeving of een speciale groep organismen; het kan overal gebeuren waar organische materie ontbindt in silica-rijk water. Door te erkennen dat sommige van de harde, glasachtige delen van deze oude gesteenten eigenlijk het resultaat zijn van vroege chemische veranderingen in plaats van het oorspronkelijke biologische blauwdruk, kunnen wetenschappers de ware geschiedenis van de microbiële gemeenschappen die miljoenen jaren geleden leefden beter reconstrueren. De studie concludeert dat de complexe texturen van deze oude gesteenten een combinatie zijn van de oorspronkelijke levensvormen en de chemische reacties die volgden op hun begraving, een herinnering dat het verhaal van een rots vaak wordt geschreven in lagen van zowel biologie als chemie.