حضور میکروارگانیزمهای کهن در نمک - Ancient microorganisms in salt

Ancient microorganisms in salt

Natural salt deposits contain microorganisms reported to be up to hundreds of millions of years old. Recent studies have concluded that salt-loving (halophilic) microbes living in ancient surface environments became trapped inside salt crystals and survived in a dormant state within the buried deposits. Protracted survival of microorganisms in ancient salt formations and other materials has redefined views of long-term survival and led to the realization that the biosphere on Earth and perhaps other parts of the solar system extends well into the solid subsurface.

 

Deposition of evaporites

Salt deposits, called evaporites, form from the evaporation of water at the Earth's surface in marine and inland lake environments with arid climates. Settings with modern evaporites include coastal lagoons, saline lakes such as the Great Salt Lake, Utah, and the Dead Sea, Israel and Jordan, and desiccated “pans” such as Salar de Atacama, Chile. Chemical species dissolved in seawater or nonmarine waters, such as sodium (Na+), calcium (Ca2+), magnesium (Mg2+), potassium (K+), sulfate (SO4 2−), bicarbonate (HCO3 −), and chloride (Cl−) are concentrated during evaporation until the waters become supersaturated with particular minerals. Typically, the salts formed during evaporative concentration of natural waters precipitate in reverse order of their solubility; that is, relatively insoluble CaCO3 (calcite) and CaSO4 (gypsum) crystallize first, followed by NaCl (halite). The so-called bittern salts composed of magnesium and potassium chlorides and sulfates precipitate last before the brine dries out completely. Ancient evaporites, buried underground and accessible in mines and from borehole cores, can underlie large areas with impressive thicknesses. These deposits are exploited today as economic minerals used for production of fertilizer, road salt, and a host of other applications. Buried evaporites may remain in an undisturbed state or may undergo physical and mineralogical changes due to the increased pressures and temperatures of burial.

 

Fluid inclusions in halite

Fluid inclusions are tiny fluid-filled cavities within crystals. Primary fluid inclusions are so named because they are trapped during crystal growth and may remain in an undamaged state, as a closed system with respect to their surroundings, for millions of years. Secondary fluid inclusions form after crystal growth from healing of tiny fluid-filled cracks within crystals. Fluid inclusions in the mineral halite are particularly abundant and have been studied since the nineteenth century. Primary fluid inclusions in halite are cubic, rectangular prism, or irregular in shape, typically <1 to several hundred micrometers in size, and contain brine incorporated during crystal growth (Fig. 1). Such fluid inclusions found in halite crystals formed in ancient oceans, for example, contain evaporated seawater.

 

 

Fig. 1  Cubic and rectangular-prism-shaped brine inclusions in halite crystal. Horizontal field of view is 0.5 mm. (Courtesy of T. Lowenstein)

 

 Halophilic microorganisms in modern saline environments

Halophilic prokaryotes, notably the halophilic Archaea (haloarchaea) and less abundant halophilic Bacteria, may exist in large numbers (greater than 1 million cells per milliliter) in present-day surface brines, even at salinities greater than 30%, which is ten times more saline than normal seawater (Fig. 2). Halite crystals precipitating in these environments trap halophilic microorganisms in the water column, preferentially in brine-filled inclusions (Fig. 3). These halite crystals, and the contained microorganisms, may form layered sedimentary deposits that have been buried and preserved for millions of years. Fluid inclusions in halite are an ideal environment for the long-term survival of microorganisms because the dissolved oxygen is low, high salinities decrease the degradation of proteins and nucleic acids including DNA (deoxyribonucleic acid), and with burial microbes are removed from solar radiation.

 

 

Fig. 2  Pink-orange brine color of the water is produced by halophilic microorganisms, Saline Valley, California. (Courtesy of M. Timofeeff)

 

Fig. 3  Brine inclusion with trapped microorganisms in halite crystallized in 2004 from Saline Valley, California. Inclusion is 40 × 20 μm in size. (Courtesy of T. Lowenstein)

 

Microorganisms in ancient halite

Microorganisms in salt deposits, specifically halite, have been reported since the beginning of the twentieth century. Many recent studies have focused on fluid inclusions in halite. Research falls into two categories. “Reviving” microorganisms trapped inside crystals using culturing methods is by far the most common approach. A second technique involves amplification of DNA fragments that are trapped inside fluid inclusions using the polymerase chain reaction (PCR). In both cases, the largest issue is whether the microorganisms or DNA recovered are as old as the halite in which they are found. Halite crystals must be retrieved from mines or borehole cores and then handled in the laboratory. Therefore, contamination by younger organisms is an important concern. This issue has not been fully resolved, and therefore all reports of ancient microorganisms in halite should be viewed as controversial.

Halite samples analyzed for ancient microorganisms range from 500-g blocks to individual crystals, and in some cases single fluid inclusions within a crystal. In all cases, work is performed in clean laboratory conditions, commonly under a laminar-flow hood, using sterilized equipment. Halite samples must be treated to sterilize the crystal surfaces and destroy surface nucleic acids. Several methods are used. Halite crystals may be soaked in ethanol, which is then burnt off using a flame. Another procedure involves immersing the halite crystals in concentrated sodium hydroxide (NaOH) and then hydrochloric acid (HCl). Once the crystals surfaces are sterilized, they are then dissolved in growth media, if using culturing methods on whole crystals. Growth media vary, but all contain high salt concentrations and a carbon source such as yeast extract, casein-derived amino acids, or glucose, to name a few. If individual fluid inclusions are targeted, then a microdrill is used to breach a fluid inclusion cavity. The brine is then removed with a micropipette and inoculated into growth medium. One study used surface-sterilized halite crystals to sample DNA in fluid inclusions, followed by purification, amplification of 16S ribosomal RNA (ribonucleic acid) genes, and DNA sequencing.

A number of haloarchaea have been cultured from 200–300-Ma halite samples collected from evaporites in England, Germany, and Austria. One of these species, Halococcus salifodinae, isolated from geographically separated areas, was interpreted by H. Stan-Lotter and colleagues as a vestige from the marine brines that once covered western Europe. R. H. Vreeland and colleagues reported a spore-forming bacterium, Virgibacillus strain 2-9-3, extracted and cultured from a 250-Ma salt crystal found in the Permian Salado Formation of New Mexico. That study has been widely cited because the laboratory work was done using rigorous sterilization techniques. M. R. Mormile and colleagues discovered a halophilic microorganism, identical in its 16S rDNA gene to the Archaeal species Halobacterium salinarum, in a fluid inclusion in halite from a 100,000-year-old deposit 85 m below the surface of Death Valley, California. Haloarchaeal and bacterial DNA were recovered by S. A. Fish from halite crystals in evaporite deposits between 11 and 425 million years old from Poland, Thailand, and the United States. These reports of culturing halophilic Archaea and Bacteria and isolating DNA from ancient halites have raised debate on the long-term preservation of microorganisms and DNA. Critics of these studies have argued that recrystallization of halite, movement of brine, and contamination by modern organisms are the most likely explanations for the microbes and DNA recovered in these studies. Others question the results because it is widely believed that DNA molecules should break down to more stable components after millions of years. In addition, the 16S rDNA sequences from the ancient microorganisms are nearly identical to modern organisms, which indicate to some that the ancient organisms may actually be modern laboratory contaminants. For example, the 16S rDNA sequence from the ancient bacterium Virgibacillus strain 2-9-3 is nearly identical (differs by only three out of 1559 nucleotides) to a near-modern organism recovered from the Dead Sea named Virgibacillus marismortui. The similarities in 16S rDNA of ancient microorganisms and contemporary relatives may, however, also be explained by slow rates of evolution in the stable saline environments that these microorganisms inhabit, and long generation times. Additional reports of ancient microorganisms, particularly with replication of results in separate laboratories, will strengthen the evidence against laboratory contamination. The question of long-term survival of microorganisms has recently taken on extraterrestrial significance because fluid inclusion–bearing halite has been discovered in a meteorite and salts exist on the surface of Mars. That raises the fascinating question of whether it is possible to transport microorganisms encapsulated in fluid inclusions in halite across the solar system.

For background information  See also: Archaebacteria; Bacteria; Bacteriology; Halite; Halophilism (microbiology); Saline evaporites; Solar system in the McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology

 

Bibliography

•S. A. Fish et al., Recovery of 16S ribosomal RNA gene fragments from ancient halite, Nature , 417:432–436, 2002 DOI:10.1038/417432a

•T. J. McGenity, R. T. Gemmell, W. D. Grant, and H. Stan-Lotter, Origins of halophilic microorganisms in ancient salt deposits, Environ. Microbiol. , 2(3):243–250, 2000 DOI:10.1046/j.1462-2920.2000.00105.x

•M. R. Mormile et al., Isolation of Halobacterium salinarum retrieved directly from halite brine inclusions, Environ. Microbiol. , 5(11):1094–1102, 2003 DOI:10.1046/j.1462-2920.2003.00509.x

•R. H. Vreeland, W. D. Rosenzweig and D. W. Powers, Isolation of a 250 million-year-old halotolerant bacterium from a primary salt crystal, Nature , 407:897–900, 2000 DOI:10.1038/35038060

•[e-mail] = egeology.blogfa.com

 

 

میکروارگانیسم های باستان در نمک

ذخایر نمک طبیعی حاوی میکروارگانیسم ها گزارش می شود تا به صدها میلیون ساله . مطالعات اخیر نشان داده اند که میکروب های نمک دوست ( نمک دوست ) زندگی در محیط های سطح کهن در داخل کریستال های نمک به دام افتاده شد و در حالت خفته در رسوبات به خاک سپرده شد جان سالم به در برد . بقای طولانی از میکروارگانیسم ها در تشکل های نمک باستانی و مواد دیگر تا به تعریف نمایش بقای طولانی مدت است و منجر به تحقق است که زیست کره زمین و شاید از دیگر نقاط منظومه شمسی گسترش خوبی را به زیر سطحی جامد .

 

رسوب و تبخیر

سپرده های نمک، تبخیر نامیده می شود، فرم را از تبخیر آب در سطح زمین در محیط های دریاچه داخلی و دریایی با آب و هوای خشک . تنظیمات با تبخیر مدرن شامل تالابهای ساحلی ، دریاچه های شور مانند دریاچه بزرگ نمک ، یوتا ، و دریای مرده ، اسرائیل و اردن ، و خشکی » ، سینی های باری، مانند سالار د آتاکاما ، شیلی . گونه های شیمیایی محلول در آب دریا یا آب nonmarine ، مانند سدیم ( سدیم + ) ، کلسیم ( CA2 + ) ، منیزیم ( MG2 + ) ، پتاسیم ( K + ) ، سولفات ( SO4 2 - ) ، بی کربنات ( HCO3 - ) ، و کلرید ( کلر ، ) در طول تبخیر متمرکز شده تا آب تبدیل به فوق اشباع با مواد معدنی خاص . به طور معمول، نمک تشکیل شده در طول غلظت تبخیری از آبهای طبیعی در جهت معکوس حلالیت آنها را تسریع ، که شده است، نسبتا نامحلول CaCO3 ( کلسیت ) و CaSO4 (گچ ) متبلور اول، به دنبال توسط نمک طعام ( هالیت ) . نمک به اصطلاح بوتیمار متشکل از منیزیم و کلرید پتاسیم و سولفات رسوب قبل از خشک آب نمک به طور کامل. تبخیر باستان، به خاک سپرده شده در معادن زیرزمینی و در دسترس و از هسته های گمانه ، می تواند زمینه های زیادی با ضخامت چشمگیر زمینه . این نهشته ها به عنوان مواد معدنی اقتصادی مورد استفاده برای تولید کود ، نمک جاده، و میزبان از برنامه های کاربردی دیگر مورد سوء استفاده قرار گیرد . تبخیر مدفون ممکن است در یک حالت دست نخورده باقی می ماند و یا ممکن است تغییرات جسمی و کانی شناسی با توجه به دما و فشار افزایش دفن تحت .

 

اجزاء مایع در نمک طعام

آخال سیالات کوچک حفره پر از مایع در درون بلورهای . آخال مایع اولیه تا به نام چرا که آنها در طول رشد بلور به دام افتاده است و ممکن است در یک دولت سالم باقی می ماند ، به عنوان یک سیستم بسته با توجه به محیط اطراف خود ، برای میلیون ها سال . آخال سیال ثانویه بعد از رشد بلور از بهبود زخم ها و ترک های کوچک پر از مایع در داخل کریستال تشکیل می دهند. اجزاء سیالات در نمک طعام معدنیبه خصوص فراوان است و از قرن نوزدهم مورد مطالعه قرار گرفته است . آخال مایع اولیه در نمک طعام مکعب، منشور مستطیل شکل، و یا نامنظم در شکل ، معمولا < 1 تا چند صد میکرومتر در اندازه و شامل آب نمک گنجانیده شده در رشد بلور (شکل 1 ) . آخال مایع موجود در بلورهای نمک طعام تشکیل شده در اقیانوس های باستان، برای مثال ، شامل آب دریا تبخیر .

 

 

شکل 1 مکعب مستطیل منشوری شکل آخال آب نمک در کریستال نمک طعام است . زمینه افقی از 0.5 میلی متر است . (حسن نیت ارائه میدهد T. Lowenstein )

 

افزودن به ' تصاویر ذخیره شده من '

 میکروارگانیسم های نمک دوست نسبی در محیط های شور مدرن

پروکاریوتها نمک دوست ، به ویژه آرکی های نمک دوست ( haloarchaea ) و باکتری های نمک دوست نسبی کمتر فراوان ، ممکن است در اعداد بزرگ در سطح شور امروزی وجود داشته باشد ( بیشتر از 1 میلیون سلول در هر میلی لیتر ) ، حتی در شوری بیشتر از 30 ٪ است که ده برابر بیشتر سالین از آب دریا نرمال ( شکل 2) . بلورهای نمک طعام تسریع در این محیط های تله میکروارگانیسم های نمک دوست در ستون آب ، ترجیحا در آخال آب نمک پر شده (شکل 3) . این بلورهای نمک طعام ، و میکروارگانیسم های موجود ، ممکن است نهشته های رسوبی لایه لایه که به خاک سپرده شد و برای میلیون ها سال حفظ شده اند ، تشکیل می دهد. اجزاء مایع در نمک طعام یک محیط ایده آل برای بقای طولانی مدت از میکروارگانیسم ها به دلیل اکسیژن محلول کم است ، شوری بالا کاهش تخریب پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک شامل DNA ( اسید دئوکسی ریبونوکلئیک ) ، و با میکروب های دفن از تابش خورشیدی حذف شده است .

 

 

شکل 2 آب شور رنگ صورتی نارنجی از آب توسط میکروارگانیسم های نمک دوست ، دره شور ، کالیفرنیا تولید می شود. (حسن نیت ارائه میدهد از M. Timofeeff )

 

افزودن به ' تصاویر ذخیره شده من '

 

 

 

 

 

شکل 3 شور گنجاندن با میکروارگانیسم های به دام افتاده در نمک طعام از شور دره، کالیفرنیا در سال 2004 متبلور است . ورود به مطالعه 40 × 20 میکرومتر در اندازه است . (حسن نیت ارائه میدهد T. Lowenstein )

 

افزودن به ' تصاویر ذخیره شده من '

 

 

 

 

میکروارگانیسم ها در نمک طعام باستان

میکروارگانیسم ها در رسوبات نمک، به طور خاص هالیت ، از آغاز قرن بیستم گزارش شده است. بسیاری از مطالعات اخیر بر روی اجزاء مایع در نمک طعام متمرکز شده است. تحقیقات می افتد به دو دسته است . " احیای " میکروارگانیسم ها به دام افتاده در داخل کریستال با استفاده از روش های کشت است تا حد زیادیرویکرد شایع ترین است . روش دوم شامل تکثیر قطعات DNA است که در داخل اجزاء مایع با استفاده از واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) به دام افتاده است . در هر دو مورد ، بزرگترین مسئله این است که آیا میکروارگانیسم ها و یا DNA بازیافت ، به عنوان قدیمی به عنوان نمک طعام که در آن یافت می شوند . بلورهای نمک طعام باید از معادن یا هسته گمانه بازیابی و سپس در آزمایشگاه به کار گرفته شده است . بنابراین ، آلودگی توسط ارگانیسم های جواناهمیت زیادی برخوردار است . این مسئله به طور کامل حل و فصل نشده و بنابراین تمام گزارش از میکروارگانیسم های باستانی در نمک طعام را باید به عنوان بحث برانگیز شده است .

نمونه های نمک طعام برای محدوده میکروارگانیسم های باستانی از بلوک 500 گرم به بلورهای فردی تجزیه و تحلیل ، و در برخی موارد اجزاء تک سیال در یک کریستال . در تمام موارد ، کار در شرایط آزمایشگاه پاک انجام ، معمولا در زیر یک هود جریان آرام ، با استفاده از تجهیزات سترون . نمونه های نمک طعام را باید درمان شود برای استریل کردن سطوح کریستال و نابود کردن اسیدهای نوکلئیک سطح . چند روش استفاده می شود . بلورهای نمک طعام ممکن است در اتانول، است که پس از آن با استفاده از یک شعله سوخته خیس. روش دیگر شامل غوطه ور کردن بلورهای نمک طعام در هیدروکسید سدیم غلیظ ( سود ) و اسید هیدروکلریک ( هیدروکلراید ) . هنگامی که سطوح بلورهای سترون، آنها هستند و سپس در رسانه های رشد حل می شود ، اگر با استفاده از روش های کشت در بلورهای کامل . رسانه های رشد متفاوت است، اما همه حاوی غلظت بالای نمک و یک منبع کربن مانند عصاره مخمر، اسیدهای آمینه کازئین مشتق شده ، یا گلوکز ، به نام چند . اگر آخال مایع فردی را هدف قرار داده ، سپس یک microdrill است مورد استفاده قرار گیرد به نقض یک حفره شمول مایع . آب نمک است و سپس با یک میکروپیپت حذف شده و تلقیح به محیط رشد است . یک مطالعه مورد استفاده قرار گیرد سطح سترون بلورهای نمک طعام به DNA نمونه در آخال های مایع ، و پس از تصفیه ، تقویت ژن 16S RNA ریبوزومی ( اسید ریبونوکلئیک ) ، و توالی DNA است.

های تعدادی از haloarchaea از 200 -300 -MA نمونه نمک طعام جمع آوری شده از تبخیر در انگلستان، آلمان، و اتریش کشت شده است. یکی از این گونه ها ، Halococcus salifodinae ، جدا شده از مناطق جغرافیایی از هم جدا شده ، توسط H. استن - Lotter و همکارانش به عنوان یک ذره از شور دریایی که زمانی اروپای غربی پوشانده تفسیر شد. RH و Vreeland همکارانش گزارش یک باکتری اسپور Virgibacillus فشار 2-9-3 استخراج و کشت از یک کریستال نمک 250 -MA که در پرمین سازند Salado نیومکزیکو یافت . این مطالعه ذکر شده است به طور گسترده ای به خاطر کارهای آزمایشگاهی با استفاده از تکنیک عقیم سازی دقیق انجام شد . MR Mormile و همکارانش کشف یک میکروارگانیسم نمک دوست ، به در ژن rDNA 16S خود را یکسان به بهگونه Archaeal Halobacterium سالیناروم ، در گنجاندن مایع در نمک طعام از سپرده 100،000 ساله 85 متر پایین تر از سطح دره مرگ، کالیفرنیا . دی ان ای Haloarchaeal باکتریایی و به توسط ماهی SA از کریستالهای نمک طعام در نهشته های تبخیری بین 11 و 425 میلیون ساله از لهستان، تایلند و ایالات متحده کشف شد. این گزارش از کشت نمک دوست و آرکی باکتری ها و DNA جدا از halites باستان بحث در مورد نگهداری طولانی مدت از میکروارگانیسم ها و DNA را مطرح نموده اند . منتقدان این مطالعات استدلال کرده اند که تبلور مجدد نمک طعام ، حرکت آب نمک ، و آلودگی توسط ارگانیسم های مدرن می باشدتوضیحات به احتمال زیاد برای میکروب ها و DNA در این مطالعات بهبود . دیگر به سؤال نتایج به دلیل آن است که به طور گسترده ای بر این باور بودند که مولکول های DNA باید به اجزای پایدار تر پس از میلیون ها سال شکستن . علاوه بر این، توالی 16S rDNA می از میکروارگانیسم های باستانی هستند تقریبا یکسان به موجودات زنده مدرن، که نشان می دهد برخی که موجودات زنده در باستان در واقع ممکن است آلاینده های آزمایشگاهی مدرن است . به عنوان مثال، توالی 16S rDNA می در از باکتری باستانی است فشار Virgibacillus 2-9-3 نزدیک بود که یکسان ( متفاوت تنها سه نفر از 1559 نوکلئوتید ) تا یک ارگانیسم نزدیک به مدرن از دریای مرده به نام Virgibacillus marismortui بهبود است . شباهت در 16S rDNA می میکروارگانیسم های باستانی و بستگان معاصر ممکن است، با این حال ، نرخ تحول و تکامل آهسته در محیط های شور پایدار است که این میکروارگانیسم های ساکن ، و زمان طولانی نیز توضیح داده شود . گزارش های اضافی از میکروارگانیسم باستان ، به خصوص با تکرار نتایج در آزمایشگاه های جداگانه ، به شواهد در برابر آلودگی آزمایشگاهی را تقویت می کند. سوال بقای طولانی مدت از میکروارگانیسم ها اخیرا بر اهمیت فرازمینی گرفته زیرا مایع نمک طعام تحمل گنجاندن در یک شهاب سنگ کشف شده است و نمک در سطح مریخ وجود دارد . این سوال جالب آن است که آیا ممکن است به حمل و نقل میکروارگانیسم های محصور شده در اجزاء مایع در نمک طعام در سراسر منظومه شمسی را افزایش می دهد .

برای اطلاعات پیش زمینه ای نیز نگاه کنید به: Archaebacteria ، باکتری، باکتری ، نمک طعام ، Halophilism ( میکروبیولوژی ) ، تبخیر شور ؛ سیستم خورشیدی در دایره المعارف های مک گرو هیل را میسر می سازد علم و صنعت

کتاب شناسی

• S. A. ماهی و همکاران، بازیابی 16S ریبوزومی قطعات ژن RNA از نمک طعام باستانی ، طبیعت، 417:432-436 ، 2002 DOI : . 10.1038/417432a

• T. J. McGenity ، RT جمل ، WD گرانت ، و H. استاندارد Lotter ، منشاء میکروارگانیسم های نمک دوست نسبی در رسوبات نمک باستان ، محیط زیست . Microbiol . ، 2 (3) :243-250 ، 2000 DOI: 10.1046/j.1462-2920.2000.00105.x

• M. R. Mormile و همکاران، جداسازی Halobacterium سالیناروم به طور مستقیم از نمک طعام آخال آب شور، محیط زیست بازیابی . Microbiol . ، 5 (11) :1094-1102 ، 2003 DOI: 10.1046/j.1462-2920.2003.00509.x

• R. H. Vreeland ، WD یک Rosenzweig و قدرت DW ، جداسازی یک باکتری 250 میلیون ساله هالوتولرانت از یک کریستال نمک اولیه ، طبیعت ، 407:897-900 ، 2000 DOI : 10.1038/35038060

• [e-mail] = egeology.blogfa.com ،