Professor i geovidenskab John Valley, venstre, og forsker Kouki Kitajima samarbejder i Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) i Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Forskere ved UCLA og University of Wisconsin – Madison har bekræftet, at mikroskopiske fossiler, der er opdaget i et næsten 3,5 milliarder år gammelt stykke sten i det vestlige Australien, er de ældste fossiler nogensinde fundet og faktisk det tidligste direkte bevis på liv på jorden.
En epoxy-montering indeholdende en flise af en næsten 3,5 milliarder år gammel sten fra Apex chert-deponeringen i det vestlige Australien er afbildet i Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) i Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Undersøgelsen, der blev offentliggjort den 18. december 2017 i Proceedings of the National Academy of Sciences, blev ledet af J. William Schopf, professor i paleobiologi ved UCLA og John W. Valley, professor i geovidenskab ved University of Wisconsin – Madison. Forskningen var baseret på ny teknologi og videnskabelig ekspertise udviklet af forskere i UW – Madison WiscSIMS Laboratory.
Undersøgelsen beskriver 11 mikrobielle prøver fra fem separate taxa, der forbinder deres morfologier med kemiske signaturer, der er karakteristiske for livet. Nogle repræsenterer nu uddøde bakterier og mikrober fra et livsområde kaldet Archaea, mens andre ligner mikrobielle arter, der stadig findes i dag. Resultaterne antyder også, hvordan hver kan have overlevet på en iltfri planet.
Et eksempel på en af mikrofossilerne opdaget i en stenprøve, der blev genvundet fra Apex Chert. En ny undersøgelse anvendte sofistikeret kemisk analyse for at bekræfte, at de mikroskopiske strukturer, der findes i klippen, er biologiske. Med tilladelse fra J. William Schopf
Mikrofossilerne – såkaldte fordi de ikke er tydelige for det blotte øje – blev først beskrevet i tidsskriftet Science i 1993 af Schopf og hans team, som identificerede dem baseret i vid udstrækning på fossilernes unikke, cylindriske og trådformede former. Schopf, direktør for UCLA’s Center for Study of Evolution and the Origin of Life, offentliggjorde yderligere understøttende bevis for deres biologiske identitet i 2002.
Han opsamlede klippen, hvor fossilerne blev fundet i 1982 fra Apex chertaflejring af Western Australia, et af de få steder på planeten, hvor geologiske beviser for den tidlige jord er blevet bevaret, hovedsageligt fordi det ikke har været udsat for geologiske processer, der ville have ændret det, som begravelse og ekstrem opvarmning på grund af pladetektonisk aktivitet.
Men Schopfs tidligere fortolkninger er blevet bestridt. Kritikere hævdede, at de bare er underlige mineraler, der kun ligner biologiske prøver. Valley siger imidlertid, at de nye fund bragte disse tvivl til ro; mikrofossilerne er faktisk biologiske.
“Jeg tror, det er afgjort,” siger han.
Ved hjælp af et sekundært ionmassespektrometer (SIMS) ved UW – Madison kaldet IMS 1280 – en af bare en håndfuld sådanne instrumenter i verden – Valley og hans team, herunder afdelingens geoforskere Kouki Kitajima og Michael Spicuzza, var i stand til at adskille kulstoffet, der komponerer hvert fossil, i dets sammensatte isotoper og måle deres forhold.
Isotoper er forskellige versioner af det samme kemiske grundstof, der varierer i deres masse. Forskellige organiske stoffer – hvad enten de er i sten, mikrober eller dyr – indeholder karakteristiske forhold for deres stabile kulstofisotoper.
Ved hjælp af SIMS var Valley’s team i stand til at drille bortset fra carbon-12 fra carbon-13 inden for hvert fossil og måle forholdet mellem de to sammenlignet med en kendt carbonisotopstandard og en fossilfri del af klippen, hvori de blev fundet.
” Forskellene i kulstofisotopforhold korrelerer med deres former, ”siger Valley. “Hvis de ikke er biologiske, er der ingen grund til en sådan sammenhæng. Deres C-13-til-C-12-forhold er karakteristiske for biologi og metabolisk funktion.”
John Valley, professor i geovidenskab, er afbilledet på sit kontor i Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Baseret på disse oplysninger var forskerne også i stand til at tildele identiteter og sandsynlig fysiologisk adfærd til fossiler, der var låst inde i klippen, siger Valley. Resultaterne viser, at “disse er en primitiv, men forskelligartet gruppe af organismer,” siger Schopf.
Holdet identificerede en kompleks gruppe mikrober: fototrofiske bakterier, der ville have været afhængige af solen for at producere energi, Archaea, der producerede metan, og gammaproteobakterier, der forbrugte metan, en gas, der menes at være en vigtig bestanddel af Jordens tidlige atmosfære før ilt var til stede.
UW – geovidenskabsforskere fra Madison på en 2010-tur til Apex Chert, en klippeformation i det vestlige Australien, der er blandt de ældste og bedst bevarede stenaflejringer i verden. Med tilladelse til John Valley
Det tog Valley’s team næsten 10 år at udvikle processerne til nøjagtig analyse af mikrofossiler – fossile denne gamle og sjældne har aldrig været udsat for SIMS-analyse før. Undersøgelsen bygger på tidligere præstationer hos WiscSIMS for at ændre SIMS-instrumentet, for at udvikle protokoller til prøveforberedelse og -analyse og for at kalibrere nødvendige standarder for så tæt som muligt at matche carbonhydridindholdet til prøverne af interesse.
Som forberedelse til SIMS-analyse var holdet nødt til omhyggeligt at male den originale prøve ned så langsomt som muligt for at eksponere de sarte fossiler selv – alle ophængt på forskellige niveauer i klippen og indkapslet i et hårdt lag kvarts – uden faktisk at ødelægge dem. Spicuzza beskriver at lave utallige ture op og ned ad trappen i afdelingen som geovidenskabstekniker Brian Hess slibede og polerede hver mikrofossil i prøven, et mikrometer ad gangen.
Hver mikrofossil er ca. 10 mikrometer bred; otte af dem kunne passe langs bredden af et menneskehår.
Valley og Schopf er en del af Wisconsin Astrobiology Research Consortium, finansieret af NASA Astrobiology Institute, der eksisterer for at studere og forstå oprindelsen, fremtiden og livets natur på jorden og i hele universet.
“Apex-fossilerne er skrøbelige. Svært at finde. Vanskeligt at studere. De er rigelige, men forkullede, strimlede, alt for kogte. Små stykker er almindelige, men generelt ubeskrivelige; korte to- eller tre-cellede fragmenter er sjældne og lette at overse; mange-celleprøver er få og langt imellem, og fossiler, der kunne kaldes ‘velbevarede’ – som dem af Gunflint og Bitter Springs-deponeringen – er ikke eksisterende. Var disse rester ikke så bemærkelsesværdigt gamle, ville de ikke fortjene særlig opmærksomhed. ”
—J William Schopf, “Livets vugge”
Undersøgelser som denne, siger Schopf, indikerer at livet kan være almindeligt igennem uden universet. Men vigtigst af alt, her på Jorden, fordi flere forskellige typer mikrober viste sig at være til stede for 3,5 milliarder år siden, fortæller det os, at “livet skulle være begyndt væsentligt tidligere – ingen ved hvor meget tidligere – og bekræfter, at det ikke er svært for at primitivt liv skal dannes og udvikle sig til mere avancerede mikroorganismer, ”siger Schopf.
Tidligere undersøgelser foretaget af Valley og hans team, der dateres til 2001, har vist, at der eksisterede flydende vandhave på Jorden så tidligt som 4,3 mia. år siden, mere end 800 millioner år før fossilerne i den nuværende undersøgelse ville have været i live, og kun 250 millioner år efter, at Jorden var dannet. men der er ingen grund til, at det ikke kunne have, ”siger Valley. “Dette er noget, vi alle gerne vil finde ud af.”
UW – Madison har en arv fra at skubbe de accepterede datoer for det tidlige liv på Jorden tilbage. I 1953 afdøde Stanley Tyler, en geolog ved universitet, der døde i 1963 i en alder af 57 år, var den første person til at opdage mikrofossiler i prækambriske klipper. Dette skubbede livets oprindelse tilbage for mere end en milliard år, fra 540 millioner til 1,8 milliarder år siden.
“Folk er virkelig interesserede i, hvornår livet på Jorden først opstod,” siger Valley. “Denne undersøgelse var 10 gange mere tidskrævende og vanskeligere, end jeg først forestillede mig, men det blev realiseret på grund af mange dedikerede mennesker, der har været begejstrede for dette siden første dag … Jeg tror, at der vil blive foretaget meget flere mikrofossile analyser på prøver af jorden og muligvis fra andre planetariske kroppe. ”
Forskningen blev støttet af NASA Astrobiology Institute ved University of Wisconsin – Madison og Center for Study of Evolution and the Origin of Life at UCLA. WiscSIMS er støttet af National Science Foundation (EAR-1355590) og UW – Madison.