Professore di geoscienza John Valley, a sinistra, e il ricercatore Kouki Kitajima collaborano al Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) a Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
I ricercatori della UCLA e dell’Università del Wisconsin-Madison hanno confermato che i fossili microscopici scoperti in un pezzo di roccia di quasi 3,5 miliardi di anni nell’Australia occidentale sono i fossili più antichi mai trovato e in effetti la prima prova diretta della vita sulla Terra.
Una montatura epossidica contenente una scheggia di una roccia di quasi 3,5 miliardi di anni dal giacimento di selce Apex nell’Australia occidentale è raffigurata al Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) nella Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Lo studio, pubblicato il 18 dicembre 2017 negli Atti della National Academy of Sciences, è stato guidato da J. William Schopf, professore di paleobiologia all’UCLA, e John W. Valley, professore di geoscienze presso l’Università del Wisconsin-Madison. La ricerca si è basata su nuove tecnologie e competenze scientifiche sviluppate dai ricercatori del laboratorio UW-Madison WiscSIMS.
Lo studio descrive 11 campioni microbici da cinque taxa separati, collegando le loro morfologie alle firme chimiche che sono caratteristiche della vita. Alcuni rappresentano batteri e microbi ormai estinti da un dominio della vita chiamato Archaea, mentre altri sono simili alle specie microbiche che si trovano ancora oggi. I risultati suggeriscono anche come ognuno di loro possa essere sopravvissuto su un pianeta privo di ossigeno.
Un esempio di uno dei microfossili scoperti in un campione di roccia recuperato dall’Apex Chert. Un nuovo studio ha utilizzato sofisticate analisi chimiche per confermare che le strutture microscopiche trovate nella roccia sono biologiche. Per gentile concessione di J. William Schopf
I microfossili – così chiamati perché non sono evidenti ad occhio nudo – sono stati descritti per la prima volta sulla rivista Science nel 1993 da Schopf e dal suo team, che li ha identificati basato in gran parte sulle forme uniche, cilindriche e filamentose dei fossili. Schopf, direttore del Center for the Study of Evolution and the Origin of Life della UCLA, ha pubblicato ulteriori prove a sostegno della loro identità biologica nel 2002.
Ha raccolto la roccia in cui sono stati trovati i fossili nel 1982 dall’Apex giacimento di selce dell’Australia occidentale, uno dei pochi luoghi del pianeta in cui sono state conservate prove geologiche della Terra primordiale, in gran parte perché non è stata sottoposta a processi geologici che l’avrebbero alterata, come la sepoltura e il riscaldamento estremo dovuto alla tettonica a placche attività.
Ma le precedenti interpretazioni di Schopf sono state contestate. I critici hanno sostenuto che sono solo minerali strani che sembrano solo campioni biologici. Tuttavia, afferma Valley, le nuove scoperte mettono a tacere questi dubbi; i microfossili sono effettivamente biologici.
“Penso che sia risolto”, dice.
Utilizzando uno spettrometro di massa a ioni secondari (SIMS) presso UW-Madison chiamato IMS 1280 – uno dei soli una manciata di tali strumenti nel mondo – Valley e il suo team, inclusi i geoscienziati del dipartimento Kouki Kitajima e Michael Spicuzza, sono stati in grado di separare il carbonio che compone ciascun fossile nei suoi isotopi costituenti e misurare i loro rapporti.
Gli isotopi sono diverse versioni dello stesso elemento chimico che variano nelle loro masse. Diverse sostanze organiche – sia nella roccia, nei microbi o negli animali – contengono rapporti caratteristici dei loro isotopi di carbonio stabili.
Utilizzando SIMS, il team di Valley è stato in grado di stuzzicare separare il carbonio-12 dal carbonio-13 all’interno di ciascun fossile e misurare il rapporto tra i due rispetto a uno standard di isotopo di carbonio noto e una sezione senza fossili della roccia in cui sono stati trovati.
” Le differenze nei rapporti degli isotopi del carbonio sono correlate alle loro forme “, afferma Valley. “Se non sono biologici non c’è motivo per tale correlazione. I loro rapporti C-13-C-12 sono caratteristici della biologia e della funzione metabolica.”
John Valley, professore di geoscienze, è raffigurato nel suo ufficio a Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Basato su Con queste informazioni, i ricercatori sono stati anche in grado di assegnare identità e probabili comportamenti fisiologici ai fossili rinchiusi all’interno della roccia, afferma Valley. I risultati mostrano che “si tratta di un gruppo di organismi primitivo ma diversificato”, afferma Schopf.
Il team ha identificato un gruppo complesso di microbi: batteri fototrofici che avrebbero fatto affidamento sul sole per produrre energia, Archaea che produceva metano e gammaproteobacteria che consumavano metano, un gas ritenuto un importante costituente dell’atmosfera primordiale della Terra prima dell’ossigeno era presente.
Ricercatori di geoscienza UW – Madison in una gita sul campo del 2010 all’Apex Chert, una formazione rocciosa in l’Australia occidentale che è tra i depositi rocciosi più antichi e meglio conservati al mondo. Per gentile concessione di John Valley
Il team di Valley ha impiegato quasi 10 anni per sviluppare i processi per analizzare accuratamente i microfossili: fossili così antichi e rari non sono mai stati sottoposti ad analisi SIMS prima. Lo studio si basa sui precedenti risultati del WiscSIMS per modificare lo strumento SIMS, per sviluppare protocolli per la preparazione e l’analisi dei campioni e per calibrare gli standard necessari per abbinare il più fedelmente possibile il contenuto di idrocarburi ai campioni di interesse.
In preparazione per l’analisi SIMS, il team aveva bisogno di macinare meticolosamente il campione originale il più lentamente possibile per esporre i delicati fossili stessi – tutti sospesi a diversi livelli all’interno della roccia e racchiusi in uno strato duro di quarzo – senza effettivamente distruggerli. Spicuzza descrive aver fatto innumerevoli viaggi su e giù per le scale nel dipartimento mentre il tecnico di geoscienze Brian Hess ha rettificato e lucidato ogni microfossil nel campione, un micrometro alla volta.
Ogni microfossil è largo circa 10 micrometri; otto di loro potrebbero adattarsi alla larghezza di un capello umano.
Valley e Schopf fanno parte del Wisconsin Astrobiology Research Consortium, finanziato dal NASA Astrobiology Institute, che esiste per studiare e comprendere le origini, il futuro e la natura della vita sulla Terra e in tutto l’universo.
“I fossili Apex sono frammentari. Difficili da trovare. Difficili da studiare. Sono abbondanti ma carbonizzati, sminuzzati, eccessivamente cotti. Piccoli frammenti sono comuni ma generalmente indefiniti; i frammenti corti a due o tre celle sono rari e facili da trascurare; gli esemplari a molte celle sono pochi e lontani tra loro; e fossili che potrebbero essere definiti “ben conservati” – come quelli del deposito di Gunflint e Bitter Springs – sono inesistenti. Se questi resti non fossero così straordinariamente antichi non meriterebbero molta attenzione. “
—J . William Schopf, “Cradle of Life”
Studi come questo, dice Schopf, indicano che la vita potrebbe essere comune attraverso in tutto l’universo. Ma soprattutto, qui sulla Terra, poiché è stato dimostrato che diversi tipi di microbi erano già presenti 3,5 miliardi di anni fa, ci dice che “la vita doveva essere iniziata sostanzialmente prima – nessuno sa quanto prima – e conferma che non è difficile affinché la vita primitiva si formasse e si evolvesse in microrganismi più avanzati “, afferma Schopf.
Studi precedenti di Valley e del suo team, risalenti al 2001, hanno dimostrato che gli oceani di acqua liquida esistevano sulla Terra già da 4,3 miliardi anni fa, più di 800 milioni di anni prima che i fossili del presente studio fossero vivi e solo 250 milioni di anni dopo la formazione della Terra.
“Non abbiamo prove dirette che la vita sia esistita 4,3 miliardi di anni fa ma non c’è motivo per cui non avrebbe potuto “, dice Valley. “Questo è qualcosa che tutti vorremmo scoprire.”
UW – Madison ha l’eredità di respingere le date accettate della prima vita sulla Terra. Nel 1953, il compianto Stanley Tyler, un geologo al L’università morì nel 1963 all’età di 57 anni, fu la prima persona a scoprire i microfossili nelle rocce del Precambriano. Ciò spinse le origini della vita indietro di oltre un miliardo di anni, da 540 milioni a 1,8 miliardi di anni fa.
“Le persone sono davvero interessate a quando è emersa per la prima volta la vita sulla Terra”, dice Valley. “Questo studio è stato 10 volte più dispendioso in termini di tempo e più difficile di quanto immaginassi inizialmente, ma è stato realizzato grazie a molte persone dedite che sono state entusiaste di questo sin dal primo giorno … Penso che molte più analisi dei microfossili verranno effettuate sui campioni della Terra e possibilmente da altri corpi planetari. “
La ricerca è stata supportata dal NASA Astrobiology Institute presso l’Università del Wisconsin-Madison e dal Center for the Study of Evolution and the Origin of Life presso UCLA. WiscSIMS è supportato dalla National Science Foundation (EAR-1355590) e da UW – Madison.