Geowissenschaftlicher Professor John Valley (links) und der Forscher Kouki Kitajima arbeiten im Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) in Weeks Hall zusammen. Foto: Jeff Miller
Forscher der UCLA und der University of Wisconsin – Madison haben bestätigt, dass mikroskopisch kleine Fossilien, die in einem fast 3,5 Milliarden Jahre alten Gesteinsstück in Westaustralien entdeckt wurden, die ältesten Fossilien sind jemals gefunden und in der Tat der früheste direkte Beweis für das Leben auf der Erde.
Eine Epoxidhalterung mit einem Splitter Im Wisconsin Secondary Ion Massenspektrometer Lab (WiscSIMS) in Weeks Hall ist ein fast 3,5 Milliarden Jahre altes Gestein aus der Apex-Chert-Lagerstätte in Westaustralien abgebildet. Foto: Jeff Miller
Die am 18. Dezember 2017 in den Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlichte Studie wurde von J. William Schopf, Professor für Paläobiologie an der UCLA, und John geleitet W. Valley, Professor für Geowissenschaften an der University of Wisconsin – Madison. Die Forschung stützte sich auf neue Technologien und wissenschaftliches Fachwissen, das von Forschern des UW-Madison WiscSIMS-Labors entwickelt wurde.
Die Studie beschreibt 11 mikrobielle Proben aus fünf verschiedenen Taxa, die ihre Morphologien mit für das Leben charakteristischen chemischen Signaturen verknüpfen. Einige repräsentieren heute ausgestorbene Bakterien und Mikroben aus einem Lebensbereich namens Archaea, während andere den heute noch vorkommenden mikrobiellen Arten ähneln. Die Ergebnisse legen auch nahe, wie jeder auf einem sauerstofffreien Planeten überlebt haben könnte.
Ein Beispiel für eines der Mikrofossilien, die in einer Gesteinsprobe entdeckt wurden, die aus dem Apex Chert gewonnen wurde. Eine neue Studie verwendete eine ausgeklügelte chemische Analyse, um zu bestätigen, dass die im Gestein gefundenen mikroskopischen Strukturen biologisch sind. Mit freundlicher Genehmigung von J. William Schopf
Die Mikrofossilien – so genannt, weil sie mit bloßem Auge nicht erkennbar sind – wurden erstmals 1993 in der Zeitschrift Science von Schopf und seinem Team beschrieben, die sie identifizierten basiert hauptsächlich auf den einzigartigen, zylindrischen und filamentösen Formen der Fossilien. Schopf, Direktor des UCLA-Zentrums für die Erforschung der Evolution und des Ursprungs des Lebens, veröffentlichte 2002 weitere Belege für ihre biologische Identität.
Er sammelte das Gestein, in dem die Fossilien 1982 gefunden wurden, am Apex Chert-Lagerstätte in Westaustralien, einem der wenigen Orte auf dem Planeten, an denen geologische Beweise für die frühe Erde erhalten geblieben sind, vor allem, weil sie keinen geologischen Prozessen ausgesetzt waren, die sie verändert hätten, wie Bestattung und extreme Erwärmung aufgrund von Plattentektonik Aktivität.
Aber Schopfs frühere Interpretationen sind umstritten. Kritiker argumentierten, es handele sich nur um seltsame Mineralien, die nur wie biologische Proben aussehen. Valley sagt jedoch, dass die neuen Erkenntnisse diese Zweifel zerstreuen; Die Mikrofossilien sind in der Tat biologisch.
„Ich denke, es ist erledigt“, sagt er.
Verwenden eines Sekundärionen-Massenspektrometers (SIMS) bei UW-Madison namens IMS 1280 – eines von nur Eine Handvoll solcher Instrumente in der Welt – Valley und sein Team, darunter die Geowissenschaftler Kouki Kitajima und Michael Spicuzza, konnten den Kohlenstoff, aus dem jedes Fossil besteht, in seine Isotopenbestandteile trennen und ihre Verhältnisse messen.
Isotope sind Verschiedene Versionen desselben chemischen Elements, die sich in ihrer Masse unterscheiden. Verschiedene organische Substanzen – ob in Gestein, Mikrobe oder Tier – enthalten charakteristische Verhältnisse ihrer stabilen Kohlenstoffisotope.
Mit SIMS konnte das Team von Valley necken trennen Sie den Kohlenstoff-12 vom Kohlenstoff-13 in jedem Fossil und messen Sie das Verhältnis der beiden zu einem bekannten Kohlenstoffisotopenstandard und einem fossillosen Abschnitt des Gesteins, in dem sie gefunden wurden.
“ Die Unterschiede in den Kohlenstoffisotopenverhältnissen korrelieren mit ihren Formen “, sagt Valley. „Wenn sie nicht biologisch sind, gibt es keinen Grund für eine solche Korrelation. Ihre C-13-zu-C-12-Verhältnisse sind charakteristisch für die Biologie und die Stoffwechselfunktion.“
John Valley, Professor für Geowissenschaften, ist in seinem Büro in der Weeks Hall abgebildet. Foto: Jeff Miller
Basierend auf Aufgrund dieser Informationen konnten die Forscher den im Gestein eingeschlossenen Fossilien auch Identitäten und wahrscheinlich physiologische Verhaltensweisen zuordnen, sagt Valley. Die Ergebnisse zeigen, dass „dies eine primitive, aber vielfältige Gruppe von Organismen ist“, sagt Schopf.
Das Team identifizierte eine komplexe Gruppe von Mikroben: phototrophe Bakterien, die sich auf die Sonne verlassen hätten, um Energie zu produzieren, Archaea, die Methan produzierte, und Gammaproteobakterien, die Methan verbrauchten, ein Gas, von dem angenommen wird, dass es ein wichtiger Bestandteil der frühen Erdatmosphäre vor Sauerstoff ist war anwesend.
UW-Madison-Geowissenschaftler auf einer Exkursion 2010 zum Apex Chert, einer Felsformation in Westaustralien, das zu den ältesten und am besten erhaltenen Gesteinsvorkommen der Welt gehört. Mit freundlicher Genehmigung von John Valley
Das Team von Valley brauchte fast 10 Jahre, um die Verfahren zur genauen Analyse der Mikrofossilien zu entwickeln – Fossilien, die so alt und selten sind, wurden noch nie zuvor einer SIMS-Analyse unterzogen. Die Studie baut auf früheren Errungenschaften von WiscSIMS auf, das SIMS-Instrument zu modifizieren, Protokolle für die Probenvorbereitung und -analyse zu entwickeln und die erforderlichen Standards zu kalibrieren, um den Kohlenwasserstoffgehalt so genau wie möglich an die interessierenden Proben anzupassen.
Zur Vorbereitung der SIMS-Analyse musste das Team die Originalprobe so langsam wie möglich zermahlen, um die empfindlichen Fossilien selbst freizulegen, die alle auf verschiedenen Ebenen im Gestein schwebten und in einer harten Quarzschicht eingeschlossen waren, ohne sie tatsächlich zu zerstören. Spicuzza beschreibt unzählige Fahrten auf und ab der Treppe in der Abteilung, als der Geowissenschaftler Brian Hess jedes Mikrofossil in der Probe jeweils ein Mikrometer zermahlte und polierte.
Jedes Mikrofossil ist etwa 10 Mikrometer breit; Acht von ihnen könnten entlang der Breite eines menschlichen Haares passen.
Valley und Schopf sind Teil des Wisconsin Astrobiology Research Consortium, das vom NASA Astrobiology Institute finanziert wird und das existiert, um die Ursprünge und die Zukunft zu untersuchen und zu verstehen und die Natur des Lebens auf der Erde und im gesamten Universum.
„Die Apex-Fossilien sind verschrottet. Schwer zu finden. Schwer zu studieren. Sie sind reichlich vorhanden, aber verkohlt, zerkleinert, übermäßig gekocht. Winzige Teile sind häufig, aber im Allgemeinen unscheinbar. Kurze zwei- oder dreizellige Fragmente sind selten und leicht zu übersehen. Vielzellige Exemplare sind es Es gibt nur wenige Fossilien, die als „gut erhalten“ bezeichnet werden könnten – wie die Lagerstätten Gunflint und Bitter Springs. Wären diese Überreste nicht so bemerkenswert alt, würden sie nicht viel Aufmerksamkeit verdienen. “
—J William Schopf, „Wiege des Lebens“
Studien wie diese, so Schopf, deuten darauf hin, dass das Leben häufig vorkommen könnte Ghout das Universum. Aber was wichtig ist, hier auf der Erde, weil gezeigt wurde, dass verschiedene Arten von Mikroben bereits vor 3,5 Milliarden Jahren vorhanden waren, sagt es uns, dass „das Leben wesentlich früher begonnen haben musste – niemand weiß wie viel früher – und bestätigt, dass es nicht schwierig ist Damit sich primitives Leben bilden und zu fortgeschritteneren Mikroorganismen entwickeln kann “, sagt Schopf.
Frühere Studien von Valley und seinem Team aus dem Jahr 2001 haben gezeigt, dass es auf der Erde bereits 4,3 Milliarden Ozeane mit flüssigem Wasser gab Vor Jahren, mehr als 800 Millionen Jahre vor dem Leben der Fossilien der vorliegenden Studie und nur 250 Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde.
„Wir haben keine direkten Beweise dafür, dass Leben vor 4,3 Milliarden Jahren existierte Aber es gibt keinen Grund, warum es nicht möglich war “, sagt Valley. „Dies ist etwas, was wir alle gerne herausfinden würden.“
UW-Madison hat das Erbe, die akzeptierten Daten des frühen Lebens auf der Erde zurückzudrängen. 1953 verstarb der verstorbene Stanley Tyler, ein Geologe am Die Universität, die 1963 im Alter von 57 Jahren verstarb, entdeckte als erste Person Mikrofossilien in präkambrischen Gesteinen. Dies führte die Ursprünge des Lebens vor mehr als einer Milliarde Jahren von 540 Millionen auf 1,8 Milliarden Jahre zurück.
„Die Menschen sind wirklich interessiert daran, wann das Leben auf der Erde zum ersten Mal entstanden ist“, sagt Valley. „Diese Studie war zehnmal zeitaufwändiger und schwieriger als ich es mir zunächst vorgestellt hatte, aber sie wurde durch viele engagierte Menschen verwirklicht, die seit dem ersten Tag davon begeistert waren. Ich denke, es werden viel mehr mikrofossile Analysen an Proben durchgeführt der Erde und möglicherweise von anderen Planetenkörpern. “
Die Forschung wurde vom NASA Astrobiology Institute der University of Wisconsin-Madison und dem Zentrum für die Erforschung der Evolution und des Ursprungs des Lebens an der UCLA unterstützt. WiscSIMS wird von der National Science Foundation (EAR-1355590) und UW-Madison unterstützt.