Professor in geowetenschappen John Valley, links, en onderzoekswetenschapper Kouki Kitajima werken samen in het Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) in Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Onderzoekers van UCLA en de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben bevestigd dat microscopisch kleine fossielen die zijn ontdekt in een bijna 3,5 miljard jaar oud stuk rots in West-Australië de oudste fossielen zijn ooit gevonden en inderdaad het vroegste directe bewijs van leven op aarde.
Een epoxyhouder met een strookje van een bijna 3,5 miljard jaar oude rots uit de Apex chert-afzetting in West-Australië is afgebeeld in het Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) in Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
De studie, gepubliceerd op 18 december 2017 in de Proceedings of the National Academy of Sciences, werd geleid door J. William Schopf, professor paleobiologie aan de UCLA, en John W. Valley, hoogleraar geowetenschappen aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. Het onderzoek was gebaseerd op nieuwe technologie en wetenschappelijke expertise ontwikkeld door onderzoekers van het UW-Madison WiscSIMS Laboratory.
De studie beschrijft 11 microbiële specimens uit vijf afzonderlijke taxa, waarbij hun morfologieën worden gekoppeld aan chemische signaturen die kenmerkend zijn voor het leven. Sommige vertegenwoordigen nu uitgestorven bacteriën en microben uit een levensdomein dat Archaea heet, terwijl andere lijken op microbiële soorten die nog steeds voorkomen. De bevindingen suggereren ook hoe elk van hen heeft kunnen overleven op een zuurstofvrije planeet.
Een voorbeeld van een van de microfossielen die zijn ontdekt in een steenmonster dat is gewonnen uit de Apex Chert. Een nieuwe studie gebruikte geavanceerde chemische analyse om te bevestigen dat de microscopisch kleine structuren die in het gesteente worden aangetroffen, biologisch zijn. Met dank aan J. William Schopf
De microfossielen – zo genoemd omdat ze niet met het blote oog zichtbaar zijn – werden voor het eerst beschreven in het tijdschrift Science in 1993 door Schopf en zijn team, die ze identificeerden grotendeels gebaseerd op de unieke, cilindrische en draadvormige vormen van de fossielen. Schopf, directeur van UCLA’s Centre for the Study of Evolution and the Origin of Life, publiceerde in 2002 verder ondersteunend bewijs van hun biologische identiteit.
Hij verzamelde het gesteente waarin de fossielen werden gevonden in 1982 van de Apex vuursteenafzetting van West-Australië, een van de weinige plaatsen op de planeet waar geologisch bewijs van de vroege aarde bewaard is gebleven, grotendeels omdat het niet is onderworpen aan geologische processen die het zouden hebben veranderd, zoals begraven en extreme verhitting als gevolg van platentektoniek activiteit.
Maar Schopfs eerdere interpretaties zijn betwist. Critici voerden aan dat het gewoon vreemde mineralen zijn die alleen op biologische exemplaren lijken. Valley zegt echter dat de nieuwe bevindingen deze twijfels hebben weggenomen; de microfossielen zijn inderdaad biologisch.
“Ik denk dat het geregeld is”, zegt hij.
Met behulp van een secundaire ionenmassaspectrometer (SIMS) bij UW-Madison genaamd IMS 1280 – een van de slechts een handvol van dergelijke instrumenten in de wereld – Valley en zijn team, inclusief afdelingsgeowetenschappers Kouki Kitajima en Michael Spicuzza, waren in staat om de koolstof waaruit elk fossiel bestaat, te scheiden in zijn samenstellende isotopen en hun verhoudingen te meten.
Isotopen zijn verschillende versies van hetzelfde chemische element die in massa variëren. Verschillende organische substanties – of ze nu in gesteente, microbe of dier zijn – bevatten karakteristieke verhoudingen van hun stabiele koolstofisotopen.
Met behulp van SIMS kon het team van Valley plagen apart de koolstof-12 van de koolstof-13 in elk fossiel en meet de verhouding van de twee vergeleken met een bekende koolstofisotoopstandaard en een fossielloos gedeelte van de rots waarin ze werden gevonden.
” De verschillen in koolstofisotopenverhoudingen hangen samen met hun vormen, ”zegt Valley. “Als ze niet biologisch zijn, is er geen reden voor een dergelijke correlatie. Hun C-13-tot-C-12-verhoudingen zijn kenmerkend voor biologie en metabolische functie.”
John Valley, hoogleraar geowetenschappen, is afgebeeld in zijn kantoor in Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Gebaseerd op Met deze informatie konden de onderzoekers ook identiteiten en waarschijnlijk fysiologisch gedrag toekennen aan de fossielen die in de rots opgesloten zaten, zegt Valley. De resultaten laten zien dat “dit een primitieve, maar diverse groep organismen is”, zegt Schopf.
Het team identificeerde een complexe groep microben: fototrofe bacteriën die zouden hebben vertrouwd op de zon om energie te produceren, Archaea die methaan produceerde en gammaproteobacteriën die methaan verbruikten, een gas waarvan wordt aangenomen dat het een belangrijk bestanddeel was van de vroege atmosfeer van de aarde vóór zuurstof was aanwezig.
UW-Madison-geowetenschappelijke onderzoekers op een excursie in 2010 naar de Apex Chert, een rotsformatie in West-Australië, dat behoort tot de oudste en best bewaarde steenafzettingen ter wereld. Met dank aan John Valley
Het kostte het team van Valley bijna 10 jaar om de processen te ontwikkelen om de microfossielen nauwkeurig te analyseren – fossielen die zo oud en zeldzaam zijn, zijn nog nooit eerder aan SIMS-analyse onderworpen. De studie bouwt voort op eerdere prestaties bij WiscSIMS om het SIMS-instrument aan te passen, protocollen te ontwikkelen voor monstervoorbereiding en analyse, en om de nodige standaarden te kalibreren om zo goed mogelijk het koolwaterstofgehalte af te stemmen op de monsters van belang.
Ter voorbereiding op SIMS-analyse moest het team het originele monster zo langzaam mogelijk vermalen om de delicate fossielen zelf bloot te leggen – allemaal opgehangen op verschillende niveaus in de rots en ingekapseld in een harde laag kwarts – zonder ze daadwerkelijk te vernietigen. Spicuzza beschrijft het maken van talloze tochten op en af de trappen in de afdeling, terwijl geowetenschappelijk technicus Brian Hess elk microfossiel in het monster een micrometer per keer heeft geslepen en gepolijst.
Elk microfossiel is ongeveer 10 micrometer breed; acht van hen zouden langs de breedte van een mensenhaar kunnen passen.
Valley en Schopf maken deel uit van het Wisconsin Astrobiology Research Consortium, gefinancierd door het NASA Astrobiology Institute, dat bestaat om de oorsprong en de toekomst te bestuderen en te begrijpen. en de aard van het leven op aarde en in het hele universum.
“De Apex-fossielen zijn scrappy. Moeilijk te vinden. Moeilijk te bestuderen. Ze zijn er in overvloed, maar verkoold, versnipperd, te gaar. Kleine stukjes en beetjes zijn gebruikelijk, maar over het algemeen onopvallend; korte twee- of driecellige fragmenten zijn zeldzaam en gemakkelijk over het hoofd te zien; veelcellige exemplaren zijn weinigen en ver tussen en fossielen die ‘goed bewaard’ zouden kunnen worden genoemd – zoals die van de Gunflint- en Bitter Springs-afzetting – bestaan niet. Als deze overblijfselen niet zo opmerkelijk oud waren, zouden ze niet veel aandacht verdienen. “
—J . William Schopf, “Cradle of Life”
Studies zoals deze, zegt Schopf, geven aan dat het leven een gemeenschappelijke ghout het universum. Maar belangrijker nog, hier op aarde, omdat verschillende soorten microben 3,5 miljard jaar geleden al aanwezig waren, vertelt het ons dat “het leven aanzienlijk eerder moest zijn begonnen – niemand weet hoeveel eerder – en bevestigt dat het niet moeilijk is. voor primitief leven om zich te vormen en te evolueren naar meer geavanceerde micro-organismen ”, zegt Schopf.
Eerdere studies door Valley en zijn team, daterend uit 2001, hebben aangetoond dat er al vanaf 4,3 miljard mensen vloeibaar water op aarde bestond. jaar geleden, meer dan 800 miljoen jaar voordat de fossielen van de huidige studie zouden hebben geleefd, en slechts 250 miljoen jaar nadat de aarde gevormd was.
“We hebben geen direct bewijs dat leven 4,3 miljard jaar geleden bestond. maar er is geen reden waarom het niet zou kunnen ”, zegt Valley. “Dit is iets wat we allemaal graag zouden willen weten.”
UW-Madison heeft de erfenis van het terugdringen van de aanvaarde data van het vroege leven op aarde. In 1953, wijlen Stanley Tyler, een geoloog bij de universiteit die in 1963 op 57-jarige leeftijd overleed, was de eerste die microfossielen ontdekte in precambriumgesteenten. Dit duwde de oorsprong van het leven meer dan een miljard jaar terug, van 540 miljoen naar 1,8 miljard jaar geleden.
“Mensen zijn echt geïnteresseerd in wanneer het leven op aarde voor het eerst opkwam”, zegt Valley. “Dit onderzoek kostte 10 keer meer tijd en was moeilijker dan ik me eerst had voorgesteld, maar het kwam tot stand dankzij veel toegewijde mensen die hier vanaf dag één enthousiast over waren … Ik denk dat er veel meer microfossielanalyses zullen worden gemaakt op monsters. van de aarde en mogelijk van andere planetaire lichamen. ”
Het onderzoek werd ondersteund door het NASA Astrobiology Institute van de University of Wisconsin-Madison en het Center for the Study of Evolution and the Origin of Life aan UCLA. WiscSIMS wordt ondersteund door de National Science Foundation (EAR-1355590) en UW-Madison.