Geotieteen professori John Valley, vasen, ja tutkija Kouki Kitajima tekevät yhteistyötä Wisconsinin sekundäärisen ionin massaspektrometrilaboratoriossa (WiscSIMS) Weeks Hallissa. Kuva: Jeff Miller
UCLA: n ja Wisconsin – Madisonin yliopiston tutkijat ovat vahvistaneet, että Länsi-Australian lähes 3,5 miljardia vuotta vanhasta kallioperästä löydetyt mikroskooppiset fossiilit ovat vanhimpia fossiileja. koskaan löydetty ja todellakin varhaisin suora todiste maapallon elämästä.
Epoksikiinnike, jossa on pala lähes 3,5 miljardia vuotta vanhasta kivestä Länsi-Australiassa sijaitsevasta Apexin chert-talletuksesta on kuvattu Wisconsinin toissijaisen ionimassaspektrometrilaboratoriossa (WiscSIMS) Weeks Hallissa. Kuva: Jeff Miller
Tutkimusta, joka julkaistiin 18. joulukuuta 2017 julkaisussa Proceedings of the National Academy of Sciences, johti UCLA: n paleobiologian professori J. William Schopf ja John W. Valley, geotieteiden professori Wisconsin – Madisonin yliopistossa. Tutkimus perustui UW – Madison WiscSIMS -laboratorion tutkijoiden kehittämään uuteen tekniikkaan ja tieteelliseen asiantuntemukseen.
Tutkimuksessa kuvataan 11 mikrobinäytettä viidestä erillisestä taksonista, yhdistämällä niiden morfologiat elämälle ominaisiin kemiallisiin allekirjoituksiin. Jotkut edustavat nyt sukupuuttoon kuolleita bakteereita ja mikrobeja Archaea-nimisestä elämänalueesta, kun taas toiset ovat samanlaisia kuin nykyäänkin löydetyt mikrobilajit. Tulokset viittaavat myös siihen, kuinka kukin on selviytynyt hapettomalta planeetalta.
Esimerkki yksi Apex Chertistä talteenotetuista kivinäytteistä löydetyistä mikrofossiileista. Uudessa tutkimuksessa käytettiin kehittynyttä kemiallista analyysiä vahvistamaan, että kivestä löytyvät mikroskooppiset rakenteet ovat biologisia. William William Schopfin suostumus.
Mikrofossiileja – joita kutsutaan siksi, etteivät ne ole paljaalla silmällä – Schopf ja hänen tiiminsä kuvasivat ensin Science-lehdessä vuonna 1993, joka tunnisti heidät perustuu suurelta osin fossiilien ainutlaatuisiin, sylinterimäisiin ja rihmaisiin muotoihin. Schopf, UCLA: n evoluution ja elämän alkuperän tutkimuksen keskuksen johtaja, julkaisi lisää todisteita heidän biologisesta identiteetistään vuonna 2002.
Hän keräsi Apexista kallion, josta fossiilit löytyivät vuonna 1982. länsi-Australian chert-talletus, yksi harvoista paikoista planeetalla, jossa varhaisen maapallon geologisia todisteita on säilynyt, lähinnä siksi, että sitä ei ole altistettu geologisille prosesseille, jotka olisivat muuttaneet sitä, kuten hautaaminen ja äärimmäinen kuumennus levytektonisen toimintaa.
Mutta Schopfin aikaisemmat tulkinnat on kiistetty. Kriitikot väittivät, että ne ovat vain outoja mineraaleja, jotka näyttävät vain biologisilta näytteiltä. Valley sanoo kuitenkin, että uudet löydökset levittävät nämä epäilyt; mikrofossiilit ovat todellakin biologisia.
”Luulen, että se on ratkaistu”, hän sanoo.
UW – Madisonin sekundäärisen ionimassaspektrometrin (SIMS) käyttö nimeltään IMS 1280 – yksi vain kourallinen tällaisia instrumentteja maailmassa – Valley ja hänen tiiminsä, mukaan lukien laitoksen geotieteilijät Kouki Kitajima ja Michael Spicuzza, pystyivät erottamaan kunkin fossiilin muodostavan hiilen sen isotoopeiksi ja mittaamaan niiden suhteet.
Isotoopit ovat saman kemiallisen alkuaineen eri versiot, joiden massa vaihtelee. Eri orgaaniset aineet – olivatpa ne kivessä, mikrobissa tai eläimessä – sisältävät vakiintuneiden hiili-isotooppiensa ominaispiirteet.
SIMS: n avulla Valley-tiimi pystyi kiusoittamaan erota hiili-12 hiili-13: sta kussakin fossiilissa ja mittaa näiden kahden suhde tunnettuun hiili-isotooppistandardiin ja kiviaineksen fossiilittomaan osaan, josta ne löytyivät.
” Hiilen isotooppisuhteiden erot korreloivat niiden muodon kanssa, Valley kertoo. ”Jos he eivät ole biologisia, ei ole mitään syytä tällaiseen korrelaatioon. Heidän C-13: n ja C-12: n väliset suhteet ovat ominaisia biologialle ja metaboliselle toiminnalle.”
Geotieteiden professori John Valley on kuvassa toimistossaan Weeks Hallissa. Kuva: Jeff Miller
Perustuu Tämän tiedon perusteella tutkijat pystyivät myös määrittelemään identiteetit ja todennäköisen fysiologisen käyttäytymisen kalliolle sulkeutuneille fossiileille, Valley sanoo. Tulokset osoittavat, että ”nämä ovat primitiivinen, mutta monipuolinen organismiryhmä”, Schopf sanoo.
Tiimi tunnisti monimutkaisen mikrobiryhmän: fototrofiset bakteerit, jotka olisivat vedonneet aurinkoon tuottamaan energiaa, metaania tuottavat Archaea ja metamaania kuluttavat gammaproteobakteerit, joiden uskotaan olevan tärkeä osa maapallon varhaisessa ilmakehässä ennen happea oli läsnä.
UW – Madison-geotieteiden tutkijat vuoden 2010 kenttämatkalle Apex Chertiin, kalliomuodostelmalle Länsi-Australia, joka on yksi vanhimmista ja parhaiten säilyneistä kallioperistä maailmassa. John Valleyn ystävällisyys
Valleyin tiimillä kesti lähes 10 vuotta kehittää prosessit mikrofossiilien tarkkaan analysointiin – tätä vanhaa ja harvinaista fossiilia ei ole koskaan aiemmin tutkittu SIMS-analyysillä. Tutkimus perustuu WiscSIMS: n aikaisempiin saavutuksiin SIMS-instrumentin muokkaamiseksi, näytteiden valmistelua ja analysointia koskevien protokollien kehittämiseksi sekä tarvittavien standardien kalibroimiseksi, jotta hiilivetypitoisuus vastaisi mahdollisimman tarkasti kiinnostavia näytteitä.
Valmistellessaan SIMS-analyysiä ryhmän oli jauhettava huolellisesti alkuperäinen näyte mahdollisimman hitaasti paljastamaan herkkiä fossiileja – kaikki suspendoituneet eri tasoilla kiven sisällä ja koteloitu kovaan kvartsikerrokseen tuhoamatta niitä. Spicuzza kuvailee lukemattomien matkojen tekemistä laitoksen portaita pitkin geotieteiden teknikko Brian Hess jauhamalla ja kiillottamalla näytteessä olevat kaikki mikrofossiilit yksi mikrometri kerrallaan.
Jokainen mikrofossiili on noin 10 mikrometriä leveä; kahdeksan niistä mahtuisi hiusten leveydelle.
Valley ja Schopf ovat osa Wisconsin Astrobiology Research Consortiumia, jonka rahoittaa NASA Astrobiology Institute, joka on olemassa tutkiakseen ja ymmärtääkseen alkuperää, tulevaisuutta. ja elämän luonteen maapallolla ja koko maailmankaikkeudessa.
”Apex-fossiilit ovat romuttavia. Vaikea löytää. Vaikea tutkia. Niitä on runsaasti, mutta hiiltyneitä, silputtuja, liian kypsennettyjä. Pienet palat ovat yleisiä, mutta yleensä kuvaamattomia; lyhyet kahden tai kolmen solun palaset ovat harvinaisia ja helposti huomaamattomia; monisoluiset näytteet ovat harvat ja kaukana, ja fossiileja, joita voitaisiin kutsua ”hyvin säilyneiksi” – kuten Gunflint- ja Bitter Springs-esiintymiä – ei ole olemassa. Eivätkö nämä jäännökset olleet niin huomattavan ikivanhoja, etteivät he ansaitsisi paljon huomiota. ”
– J William Schopf, ”Elämän kehto”
Tämänkaltaiset tutkimukset osoittavat, että elämä voi olla yleistä haamu maailmankaikkeus. Mutta mikä tärkeintä, täällä maapallolla, koska 3,5 miljardia vuotta sitten oli jo havaittu useita erityyppisiä mikrobeja, se kertoo meille, että ”elämän oli oltava alkanut huomattavasti aikaisemmin – kukaan ei tiedä kuinka kauan aikaisemmin – ja vahvistaa, että se ei ole vaikeaa alkukantaisen elämän muodostumiseksi ja kehittymiseksi kehittyneemmiksi mikro-organismeiksi ”, sanoo Schopf.
Valley ja hänen tiiminsä aikaisemmat vuodelta 2001 tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että nestemäisiä valtameriä oli maapallolla jo 4,3 miljardia vuotta sitten, yli 800 miljoonaa vuotta ennen tämän tutkimuksen fossiileja olisi ollut elossa, ja vain 250 miljoonaa vuotta maan muodostumisen jälkeen.
”Meillä ei ole suoraa näyttöä siitä, että elämää olisi ollut 4,3 miljardia vuotta sitten mutta ei ole mitään syytä, miksi se ei olisi voinut olla ”, Valley kertoo. ”Tämän me kaikki haluaisimme saada selville.” Yliopisto, joka kuoli vuonna 1963 57-vuotiaana, löysi ensimmäisenä mikrofossiileja Precambrian kallioista. Tämä työnsi elämän alkuperän yli miljardiin vuoteen, 540 miljoonasta 1,8 miljardiin vuoteen sitten.
”Ihmiset ovat todella kiinnostuneita siitä, milloin elämä maan päällä syntyi ensimmäisen kerran”, Valley sanoo. ”Tämä tutkimus oli 10 kertaa aikaa vievää ja vaikeampaa kuin kuvittelin aluksi, mutta se toteutui monien omistautuneiden ihmisten takia, jotka ovat innostuneet tästä ensimmäisestä päivästä lähtien … Luulen, että näytteille tehdään paljon enemmän mikrofossiilianalyysejä maapallosta ja mahdollisesti muista planeettakappaleista. ”
Tutkimusta tukivat NASAn astrobiologinen instituutti Wisconsinin yliopistossa – Madisonissa ja UCLA: n evoluution ja elämän alkuperän tutkimuksen keskus. WiscSIMS tukee National Science Foundation (EAR-1355590) ja UW – Madison.