profesor geověd John Valley, vlevo, a vědecký pracovník Kouki Kitajima spolupracují ve Wisconsinské laboratoři pro sekundární iontový hmotnostní spektrometr (WiscSIMS) v Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Vědci z UCLA a University of Wisconsin – Madison potvrdili, že mikroskopické fosilie objevené v téměř 3,5 miliardy let starém skále v západní Austrálii jsou nejstarší fosílie kdy byly nalezeny a skutečně nejstarší přímé důkazy o životě na Zemi.
Epoxidový držák obsahující pramen téměř 3,5 miliardy let staré horniny z ložiska rohovce Apex v západní Austrálii je zobrazeno v laboratoři Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) v Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Studii publikovanou 18. prosince 2017 ve sborníku Národní akademie věd vedli J. William Schopf, profesor paleobiologie na UCLA, a John W. Valley, profesor geověd na University of Wisconsin – Madison. Výzkum se opíral o nové technologie a vědecké odborné znalosti vyvinuté vědci v laboratoři UW – Madison WiscSIMS.
Studie popisuje 11 mikrobiálních vzorků z pěti samostatných taxonů a spojuje jejich morfologii s chemickými podpisy, které jsou charakteristické pro život. Některé představují dnes již vyhynulé bakterie a mikroby z oblasti života zvané Archaea, zatímco jiné jsou podobné mikrobiálním druhům, které se dodnes vyskytují. Zjištění také naznačují, jak každý z nich přežil na planetě bez kyslíku.
Příklad jedna z mikrofosilií objevených ve vzorku horniny získané z Apex Chert. Nová studie pomocí sofistikované chemické analýzy potvrdila, že mikroskopické struktury nalezené ve skále jsou biologické. S laskavým svolením J. Williama Schopfa
Mikrofosílie – tzv. Protože nejsou viditelné pouhým okem – byly poprvé popsány v časopise Science v roce 1993 Schopfem a jeho týmem, který je identifikoval založené převážně na jedinečných, válcovitých a vláknitých tvarech fosilií. Schopf, ředitel Centra pro studium evoluce a původu života UCLA, vydal v roce 2002 další podpůrné důkazy o jejich biologické identitě.
Sbíral skálu, ve které byly fosilie nalezeny v roce 1982, z Apexu ložisko rohovce v západní Austrálii, jednom z mála míst na planetě, kde se zachovaly geologické důkazy o rané Zemi, a to především proto, že nebylo vystaveno geologickým procesům, které by ji změnily, jako je pohřeb a extrémní ohřev kvůli deskové tektonice aktivita.
Ale starší Schopfovy výklady byly sporné. Kritici tvrdili, že jsou to jen zvláštní minerály, které vypadají jen jako biologické vzorky. Valley však říká, že nová zjištění tyto pochybnosti uklidnila; mikrofosílie jsou skutečně biologické.
„Myslím, že je to ustálené,“ říká.
Pomocí sekundárního iontového hmotnostního spektrometru (SIMS) na UW – Madison zvaného IMS 1280 – jednoho z pouhých hrstka takových nástrojů na světě – Valley a jeho tým, včetně geovědců z oddělení Kouki Kitajima a Michael Spicuzza, dokázali rozdělit uhlík, který tvoří každou fosilii, do jejích základních izotopů a měřit jejich poměry.
Izotopy jsou různé verze stejného chemického prvku, které se liší svou hmotností. Různé organické látky – ať už ve skále, mikrobu nebo zvířeti – obsahují charakteristické poměry jejich stabilních izotopů uhlíku.
Pomocí SIMS byl Valleyův tým schopen dráždit kromě uhlíku-12 od uhlíku-13 v každé fosilii a změřte poměr těchto dvou ve srovnání se známým standardem izotopů uhlíku a částí skály bez fosilů, ve které byly nalezeny.
“ Rozdíly v poměrech izotopů uhlíku korelují s jejich tvary, “říká Valley. „Pokud nejsou biologičtí, není důvod pro takovou korelaci. Jejich poměry C-13-C-12 jsou charakteristické pro biologii a metabolické funkce.“
John Valley, profesor geověd, je zobrazen ve své kanceláři v Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Na základě Na základě této informace vědci dokázali také přiřadit identitu a pravděpodobné fyziologické chování fosíliím uzamčeným ve skále, říká Valley. Výsledky ukazují, že „jde o primitivní, ale různorodou skupinu organismů,“ říká Schopf.
Tým identifikoval složitou skupinu mikrobů: fototrofní bakterie, které by se při výrobě energie spoléhaly na slunce, Archea, která vyráběla metan, a gamaproteobakterie, které spotřebovávaly metan, plyn, o kterém se věřilo, že je důležitou složkou rané atmosféry Země před kyslíkem byl přítomen.
Geovědní pracovníci UW – Madison na terénním výletu v roce 2010 do Apex Chert, skalního útvaru v západní Austrálie, která patří mezi nejstarší a nejzachovalejší ložiska hornin na světě. S laskavým svolením Johna Valley
Týmu Valley trvalo téměř 10 let, než vyvinulo procesy pro přesnou analýzu mikrofosilií – fosilie, které tyto staré a vzácné nebyly nikdy dříve podrobeny analýze SIMS. Studie vychází z dřívějších úspěchů WiscSIMS v oblasti úpravy nástroje SIMS, vývoje protokolů pro přípravu a analýzu vzorků a pro kalibraci nezbytných standardů, aby se obsah uhlovodíků co nejvíce shodoval se sledovanými vzorky.
V rámci přípravy na analýzu SIMS potřeboval tým pečlivě brousit původní vzorek co nejpomaleji, aby odhalil samotné jemné fosilie – všechny zavěšené na různých úrovních ve skále a zapouzdřené v tvrdé vrstvě křemene – aniž by je skutečně zničily. Spicuzza popisuje nespočet cest po schodech v oddělení, když technik geologie Brian Hess drtil a leštil každou mikrofosílii ve vzorku, jeden mikrometr po druhém.
Každá mikrofosílie je široká přibližně 10 mikrometrů; osm z nich se vejde na šířku lidského vlasu.
Valley a Schopf jsou součástí Wisconsin Astrobiology Research Consortium, financovaného Astrobiologickým institutem NASA, který existuje za účelem studia a porozumění původu, budoucnosti a povaha života na Zemi a v celém vesmíru.
„Apexské fosilie jsou neuspořádané. Je těžké je najít. Je obtížné je studovat. Jsou hojné, ale ohořelé, rozdrcené, příliš uvařené. Drobné kousky jsou běžné, ale obecně nepopsatelné; krátké fragmenty se dvěma nebo třemi buňkami jsou vzácné a lze je snadno přehlédnout; mnohobunkové vzorky jsou málo a daleko od sebe a fosilie, které lze nazvat „dobře zachovanými“ – jako fosilní ložiska Gunflint a Bitter Springs – neexistují. Nebyly by tyto zbytky tak pozoruhodně staré, že by si nezasloužily velkou pozornost. “
—J . William Schopf, „Kolébka života“
Studie, jako je tato, podle Schopfa naznačují, že život může být běžný ghout vesmír. Ale co je důležité, tady na Zemi, protože se ukázalo, že několik různých druhů mikrobů je přítomno již před 3,5 miliardami let, nám říká, že „život musel začít podstatně dříve – nikdo neví o kolik dříve – a potvrzuje, že to není obtížné aby se vytvořil primitivní život a vyvinul se v pokročilejší mikroorganismy, “říká Schopf.
Dřívější studie Valley a jeho týmu z roku 2001 ukázaly, že na Zemi existovaly oceány s tekutou vodou již 4,3 miliardy před více než 800 miliony lety, než by byly fosilie této studie naživu, a pouhých 250 milionů let po vzniku Země.
„Nemáme žádné přímé důkazy o tom, že život existoval před 4,3 miliardami let ale není důvod, proč by to nemohlo být, “říká Valley. „To je něco, co bychom všichni rádi zjistili.“
UW – Madison má dědictví tlačit zpět přijatá data raného života na Zemi. V roce 1953 zemřel Stanley Tyler, geolog univerzita, která zemřela v roce 1963 ve věku 57 let, byla první osobou, která objevila mikrofosílie v prekambrických horninách. To posunulo počátky života zpět o více než miliardu let, z doby před 540 miliony na 1,8 miliardy let.
„Lidé se opravdu zajímají o to, kdy se poprvé objevil život na Zemi,“ říká Valley. „Tato studie byla 10krát časově náročnější a obtížnější, než jsem si původně představoval, ale uskutečnila se díky mnoha oddaným lidem, kteří jsou tím nadšeni od prvního dne… Myslím, že na vzorcích bude provedeno mnohem více mikrofosilních analýz Země a možná i z jiných planetárních těl. “
Výzkum podpořil Astrobiologický ústav NASA na University of Wisconsin – Madison a Centrum pro studium evoluce a původu života na UCLA. WiscSIMS je podporován National Science Foundation (EAR-1355590) a UW – Madison.