Professeur de géosciences John Valley, à gauche, et le chercheur Kouki Kitajima collaborent au Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) à Weeks Hall. Photo: Jeff Miller
Des chercheurs de l’UCLA et de l’Université du Wisconsin-Madison ont confirmé que les fossiles microscopiques découverts dans un morceau de roche vieux de près de 3,5 milliards d’années en Australie occidentale sont les plus anciens fossiles jamais trouvé et en fait la première preuve directe de la vie sur Terre.
Une monture époxy contenant un ruban d’une roche vieille de près de 3,5 milliards d’années du gisement de chert Apex en Australie-Occidentale est photographiée au Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) à Weeks Hall. Photo: Jeff Miller
L’étude, publiée le 18 décembre 2017 dans les Actes de la National Academy of Sciences, était dirigée par J. William Schopf, professeur de paléobiologie à l’UCLA, et John W. Valley, professeur de géosciences à l’Université du Wisconsin – Madison. La recherche s’est appuyée sur une nouvelle technologie et une expertise scientifique développées par des chercheurs du laboratoire UW – Madison WiscSIMS.
L’étude décrit 11 spécimens microbiens de cinq taxons distincts, reliant leurs morphologies à des signatures chimiques caractéristiques de la vie. Certains représentent des bactéries et des microbes maintenant éteints d’un domaine de la vie appelé Archaea, tandis que d’autres sont similaires aux espèces microbiennes encore présentes aujourd’hui. Les résultats suggèrent également comment chacun a pu survivre sur une planète sans oxygène.
Un exemple de l’un des microfossiles découverts dans un échantillon de roche récupéré dans l’Apex Chert. Une nouvelle étude a utilisé une analyse chimique sophistiquée pour confirmer que les structures microscopiques trouvées dans la roche sont biologiques. Gracieuseté de J. William Schopf
Les microfossiles – ainsi appelés parce qu’ils ne sont pas évidents à l’œil nu – ont été décrits pour la première fois dans la revue Science en 1993 par Schopf et son équipe, qui les a identifiés basé en grande partie sur les formes uniques, cylindriques et filamenteuses des fossiles. Schopf, directeur du Center for the Study of Evolution and the Origin of Life de l’UCLA, a publié d’autres preuves à l’appui de leur identité biologique en 2002.
Il a collecté la roche dans laquelle les fossiles ont été trouvés en 1982 à l’Apex gisement de chert d’Australie-Occidentale, l’un des rares endroits de la planète où les preuves géologiques de la Terre primitive ont été préservées, en grande partie parce qu’il n’a pas été soumis à des processus géologiques qui l’auraient altéré, comme un enterrement et un chauffage extrême dû à activité.
Mais les interprétations antérieures de Schopf ont été contestées. Les critiques ont fait valoir qu’il ne s’agissait que de minéraux étranges qui ne ressemblaient qu’à des spécimens biologiques. Cependant, dit Valley, les nouvelles découvertes ont dissipé ces doutes; les microfossiles sont en effet biologiques.
«Je pense que c’est réglé», dit-il.
En utilisant un spectromètre de masse à ions secondaires (SIMS) à UW – Madison appelé IMS 1280 – l’un des une poignée de ces instruments dans le monde – Valley et son équipe, y compris les géoscientifiques du département Kouki Kitajima et Michael Spicuzza, ont pu séparer le carbone composant chaque fossile en ses isotopes constituants et mesurer leurs ratios.
Les isotopes sont différentes versions du même élément chimique dont la masse varie. Différentes substances organiques – que ce soit dans la roche, le microbe ou l’animal – contiennent des rapports caractéristiques de leurs isotopes stables de carbone.
En utilisant SIMS, l’équipe de Valley a pu taquiner séparez le carbone-12 du carbone-13 dans chaque fossile et mesurez le rapport des deux par rapport à un standard isotopique de carbone connu et à une section sans fossile de la roche dans laquelle ils ont été trouvés.
» Les différences dans les rapports isotopiques du carbone sont en corrélation avec leurs formes », explique Valley. « S’ils ne sont pas biologiques, il n’y a aucune raison pour une telle corrélation. Leurs rapports C-13-C-12 sont caractéristiques de la biologie et de la fonction métabolique. »
John Valley, professeur de géosciences, est photographié dans son bureau de Weeks Hall. Photo: Jeff Miller
D’après Cette information, les chercheurs ont également pu attribuer des identités et des comportements physiologiques probables aux fossiles enfermés à l’intérieur de la roche, dit Valley. Les résultats montrent que « ce sont un groupe d’organismes primitifs mais diversifiés », explique Schopf.
L’équipe a identifié un groupe complexe de microbes: des bactéries phototrophes qui auraient compté sur le soleil pour produire de l’énergie, des archées qui produisaient du méthane et des gammaprotéobactéries qui consommaient du méthane, un gaz considéré comme un constituant important de l’atmosphère primitive de la Terre avant l’oxygène. était présent.
Des chercheurs en géosciences de l’UW – Madison lors d’une excursion en 2010 à l’Apex Chert, une formation rocheuse de Australie occidentale qui compte parmi les dépôts rocheux les plus anciens et les mieux préservés au monde. Gracieuseté de John Valley
L’équipe de Valley a mis près de 10 ans pour développer les processus permettant d’analyser avec précision les microfossiles – des fossiles aussi anciens et rares n’ont jamais été soumis à une analyse SIMS auparavant. L’étude s’appuie sur les réalisations antérieures du WiscSIMS pour modifier l’instrument SIMS, pour développer des protocoles de préparation et d’analyse des échantillons et pour étalonner les normes nécessaires pour faire correspondre aussi étroitement que possible la teneur en hydrocarbures aux échantillons d’intérêt.
En préparation de l’analyse SIMS, l’équipe a dû broyer minutieusement l’échantillon d’origine aussi lentement que possible pour exposer les fossiles délicats eux-mêmes – tous suspendus à différents niveaux dans la roche et enfermés dans une couche dure de quartz – sans les détruire. Spicuzza raconte avoir fait d’innombrables allers-retours dans les escaliers du département alors que le technicien en géosciences Brian Hess a rectifié et poli chaque microfossile de l’échantillon, un micromètre à la fois.
Chaque microfossile mesure environ 10 micromètres de large; huit d’entre eux pourraient s’adapter à la largeur d’un cheveu humain.
Valley et Schopf font partie du Wisconsin Astrobiology Research Consortium, financé par le NASA Astrobiology Institute, qui existe pour étudier et comprendre les origines, l’avenir et la nature de la vie sur Terre et dans tout l’univers.
« Les fossiles Apex sont décousus. Difficile à trouver. Difficile à étudier. Ils sont abondants mais carbonisés, déchiquetés, trop cuits. Les petits morceaux sont courants mais généralement indéfinissables; les fragments courts à deux ou trois cellules sont rares et faciles à ignorer; les spécimens à cellules multiples sont et les fossiles que l’on pourrait qualifier de «bien conservés» – comme ceux du gisement de Gunflint et de Bitter Springs – sont inexistants. Si ces vestiges n’étaient pas si remarquablement anciens, ils ne mériteraient pas beaucoup d’attention. »
—J . William Schopf, « Berceau de la vie »
Des études comme celle-ci, dit Schopf, indiquent que la vie pourrait être commune à travers ghout l’univers. Mais surtout, ici sur Terre, parce qu’il a été démontré que plusieurs types de microbes étaient déjà présents il y a 3,5 milliards d’années, cela nous dit que «la vie devait avoir commencé bien plus tôt – personne ne sait combien plus tôt – et confirme que ce n’est pas difficile. pour que la vie primitive se forme et évolue en micro-organismes plus avancés », déclare Schopf.
Des études antérieures de Valley et de son équipe, datant de 2001, ont montré que des océans à eau liquide existaient sur Terre dès 4,3 milliards il y a plus de 800 millions d’années, plus de 800 millions d’années avant que les fossiles de la présente étude soient vivants, et juste 250 millions d’années après la formation de la Terre.
« Nous n’avons aucune preuve directe que la vie existait il y a 4,3 milliards d’années mais il n’y a aucune raison pour que cela ne se produise pas », déclare Valley. « C’est quelque chose que nous aimerions tous découvrir. »
UW – Madison a pour héritage de repousser les dates acceptées des débuts de la vie sur Terre. En 1953, feu Stanley Tyler, géologue à la décédé en 1963 à l’âge de 57 ans, a été la première personne à découvrir des microfossiles dans les roches précambriennes. Cela a repoussé les origines de la vie de plus d’un milliard d’années, de 540 millions à 1,8 milliard d’années.
« Les gens s’intéressent vraiment au moment où la vie sur Terre a émergé pour la première fois », dit Valley. « Cette étude a été 10 fois plus longue et plus difficile que je ne l’imaginais au départ, mais elle s’est concrétisée grâce à de nombreuses personnes dévouées qui sont enthousiastes à ce sujet depuis le premier jour … Je pense que beaucoup plus d’analyses de microfossiles seront effectuées sur des échantillons. de la Terre et peut-être d’autres corps planétaires. »
La recherche a été soutenue par le NASA Astrobiology Institute de l’Université du Wisconsin-Madison et le Center for the Study of Evolution and the Origin of Life à l’UCLA. WiscSIMS est soutenu par la National Science Foundation (EAR-1355590) et UW – Madison.