Professor i geofag John Valley, venstre, og forsker Kouki Kitajima samarbeider i Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) i Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Forskere ved UCLA og University of Wisconsin – Madison har bekreftet at mikroskopiske fossiler oppdaget i en nesten 3,5 milliarder år gammel steinbit i Vest-Australia er de eldste fossilene. noensinne funnet og faktisk det tidligste direkte bevis på liv på jorden.
En epoxy-montering som inneholder en fliser av en nesten 3,5 milliarder år gammel stein fra Apex chert depositum i Western Australia er avbildet på Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) i Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Studien, publisert 18. desember 2017 i Proceedings of the National Academy of Sciences, ble ledet av J. William Schopf, professor i paleobiologi ved UCLA, og John W. Valley, professor i geofag ved University of Wisconsin – Madison. Forskningen baserte seg på ny teknologi og vitenskapelig ekspertise utviklet av forskere i UW – Madison WiscSIMS Laboratory.
Studien beskriver 11 mikrobielle prøver fra fem separate taxa, som knytter morfologien til kjemiske signaturer som er karakteristiske for livet. Noen representerer nå utryddede bakterier og mikrober fra et livsområde kalt Archaea, mens andre ligner på mikrobielle arter som fremdeles finnes i dag. Funnene antyder også hvordan hver kan ha overlevd på en oksygenfri planet.
Et eksempel på en av mikrofossilene oppdaget i en steinprøve utvunnet fra Apex Chert. En ny studie brukte sofistikert kjemisk analyse for å bekrefte at de mikroskopiske strukturene som er funnet i fjellet er biologiske. Med tillatelse fra J. William Schopf
Mikrofossilene – såkalte fordi de ikke er tydelige for det blotte øye – ble først beskrevet i tidsskriftet Science i 1993 av Schopf og hans team, som identifiserte dem basert i stor grad på fossilens unike, sylindriske og filamentøse former. Schopf, direktør for UCLAs Center for the Study of Evolution and the Origin of Life, publiserte ytterligere støttende bevis på deres biologiske identitet i 2002.
Han samlet steinen som fossilene ble funnet i 1982 fra Apex. kerteavsetning av Vest-Australia, et av de få stedene på planeten der geologiske bevis for tidlig jord har blitt bevart, hovedsakelig fordi det ikke har blitt utsatt for geologiske prosesser som ville ha endret det, som begravelse og ekstrem oppvarming på grunn av platetektonisk aktivitet.
Men Schopfs tidligere tolkninger er omstridt. Kritikere hevdet at de bare er rare mineraler som bare ser ut som biologiske prøver. Valley sier imidlertid at de nye funnene setter disse tvilene til ro; mikrofossilene er virkelig biologiske.
«Jeg tror det er avgjort,» sier han.
Ved å bruke et sekundært ionemassespektrometer (SIMS) ved UW – Madison kalt IMS 1280 – en av bare en håndfull slike instrumenter i verden – Valley og teamet hans, inkludert avdelingsgeologene Kouki Kitajima og Michael Spicuzza, var i stand til å skille karbonet som komponerer hvert fossil i dets konstituerende isotoper og måle forholdet.
Isotoper er forskjellige versjoner av det samme kjemiske elementet som varierer i massene. Ulike organiske stoffer – enten det er i stein, mikrober eller dyr – inneholder karakteristiske forhold mellom deres stabile karbonisotoper.
Ved å bruke SIMS klarte Valley’s team å erte bortsett fra karbon-12 fra karbon-13 i hver fossil og måle forholdet mellom de to sammenlignet med en kjent karbonisotopstandard og en fossilfri del av fjellet der de ble funnet.
» Forskjellene i karbonisotopforhold korrelerer med formene, sier Valley. «Hvis de ikke er biologiske, er det ingen grunn til en slik sammenheng. Deres forhold mellom C-13 og C-12 er karakteristiske for biologi og metabolsk funksjon.»
John Valley, professor i geofag, er avbildet på kontoret sitt i Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Basert på denne informasjonen var forskerne i stand til å tilordne identiteter og sannsynlig fysiologisk oppførsel til fossilene som var låst inne i fjellet, sier Valley. Resultatene viser at «dette er en primitiv, men mangfoldig gruppe organismer,» sier Schopf.
Teamet identifiserte en kompleks gruppe mikrober: fototrofiske bakterier som ville ha stolt på solen for å produsere energi, Archaea som produserte metan og gammaproteobakterier som konsumerte metan, en gass som antas å være en viktig bestanddel av jordens tidlige atmosfære før oksygen. var til stede.
UW – Madison geoscience researchers on a 2010 field trip to the Apex Chert, a rock formation in vestlige Australia som er blant de eldste og best bevarte bergavsetningene i verden. Med tillatelse fra John Valley
Det tok Valley-teamet nesten 10 år å utvikle prosessene for å analysere mikrofossilene nøyaktig – fossiler som er gamle og sjeldne har aldri blitt utsatt for SIMS-analyse før. Studien bygger på tidligere prestasjoner ved WiscSIMS for å modifisere SIMS-instrumentet, for å utvikle protokoller for klargjøring og analyse av prøver, og for å kalibrere nødvendige standarder for å matche hydrokarboninnholdet så nært som mulig til prøvene av interesse.
Som forberedelse til SIMS-analyse trengte teamet omhyggelig å male den opprinnelige prøven så sakte som mulig for å eksponere de delikate fossilene selv – alle suspendert på forskjellige nivåer i fjellet og innkapslet i et hardt lag med kvarts – uten å ødelegge dem. Spicuzza beskriver å gjøre utallige turer opp og ned trappene i avdelingen som geovitenskapstekniker Brian Hess malte og polerte hver mikrofossil i prøven, ett mikrometer om gangen.
Hver mikrofossil er omtrent 10 mikrometer bred; åtte av dem kunne passe langs bredden på et menneskehår.
Valley og Schopf er en del av Wisconsin Astrobiology Research Consortium, finansiert av NASA Astrobiology Institute, som eksisterer for å studere og forstå opprinnelsen, fremtiden og livets natur på jorden og i hele universet.
«Apex-fossilene er skrapete. Vanskelig å finne. Vanskelig å studere. De er rikelig, men forkullet, strimlet, altfor kokt. Små biter er vanlige, men generelt ubeskrivelige, korte to- eller trecellede fragmenter er sjeldne og lett å overse, mange-celleprøver er få og langt imellom, og fossiler som kan kalles ‘godt bevart’ – som forekomsten av Gunflint og Bitter Springs – er ikke eksisterende. Var disse restene ikke så utrolig eldgamle, ville de ikke fortjent særlig oppmerksomhet. ”
—J William Schopf, «Livets vugge»
Undersøkelser som denne, sier Schopf, indikerer at livet kan være vanlig gjennom utenom universet. Men viktigere, her på jorden, fordi det ble vist at flere forskjellige typer mikrober allerede var til stede for 3,5 milliarder år siden, forteller det oss at «livet måtte ha begynt vesentlig tidligere – ingen vet hvor mye tidligere – og bekrefter at det ikke er vanskelig for at primitivt liv skal danne seg og utvikle seg til mer avanserte mikroorganismer, sier Schopf.
Tidligere studier av Valley og hans team, som dateres til 2001, har vist at det eksisterte flytende vannhav på jorden så tidlig som 4,3 milliarder dollar. år siden, mer enn 800 millioner år før fossilene i denne studien ville ha vært i live, og bare 250 millioner år etter at jorden ble dannet.
«Vi har ingen direkte bevis for at livet eksisterte for 4,3 milliarder år siden. men det er ingen grunn til at det ikke kunne ha det, sier Valley. «Dette er noe vi alle ønsker å finne ut av.»
UW – Madison har en arv fra å presse tilbake de aksepterte datoene for tidlig liv på jorden. I 1953 avdøde Stanley Tyler, en geolog ved universitetet som gikk bort i 1963 i en alder av 57 år, var den første personen som oppdaget mikrofossiler i prekambriske bergarter. Dette presset livets opprinnelse tilbake for mer enn en milliard år, fra 540 millioner til 1,8 milliarder år siden.
«Folk er veldig interessert i når livet på jorden først dukket opp,» sier Valley. «Denne studien var ti ganger mer tidkrevende og vanskeligere enn jeg først trodde, men den ble oppfylt på grunn av mange dedikerte mennesker som har vært begeistret for dette siden første dag … Jeg tror det vil bli gjort mange flere mikrofossile analyser på prøver av jorden og muligens fra andre planetariske kropper. ”
Forskningen ble støttet av NASA Astrobiology Institute ved University of Wisconsin – Madison og Center for the Study of Evolution and the Origin of Life at UCLA. WiscSIMS støttes av National Science Foundation (EAR-1355590) og UW – Madison.