Geoscience Professor John Valley (z lewej) i naukowiec Kouki Kitajima współpracują w laboratorium spektrometrów mas jonów wtórnych Wisconsin (WiscSIMS) w Weeks Hall. Zdjęcie: Jeff Miller
Naukowcy z UCLA i University of Wisconsin – Madison potwierdzili, że mikroskopijne skamieniałości odkryte w skale sprzed prawie 3,5 miliarda lat w Australii Zachodniej są najstarszymi skamieniałościami kiedykolwiek znaleziony i rzeczywiście najwcześniejszy bezpośredni dowód życia na Ziemi.
Epoksydowy uchwyt zawierający prawie 3,5 miliarda lat skały ze złoża Apex chert w Australii Zachodniej pokazano w laboratorium Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) w Weeks Hall. Zdjęcie: Jeff Miller
Badanie, opublikowane 18 grudnia 2017 w Proceedings of the National Academy of Sciences, zostało przeprowadzone przez J. Williama Schopfa, profesora paleobiologii na UCLA i Johna W. Valley, profesor nauk o Ziemi na Uniwersytecie Wisconsin – Madison. Badania opierały się na nowej technologii i wiedzy naukowej opracowanej przez naukowców z laboratorium UW-Madison WiscSIMS.
W badaniu opisano 11 próbek drobnoustrojów z pięciu oddzielnych taksonów, łącząc ich morfologię z charakterystycznymi dla życia sygnaturami chemicznymi. Niektóre reprezentują wymarłe bakterie i drobnoustroje z obszaru życia zwanego Archaea, podczas gdy inne są podobne do gatunków drobnoustrojów, które nadal można znaleźć dzisiaj. Odkrycia sugerują również, jak każdy z nich mógł przetrwać na planecie beztlenowej.
Przykład jeden z mikroskamieniałości znalezionych w próbce skały odzyskanej z Apex Chert. W nowym badaniu wykorzystano zaawansowaną analizę chemiczną, aby potwierdzić, że mikroskopijne struktury znalezione w skale są biologiczne. Dzięki uprzejmości J. Williama Schopfa
Mikroskamieniałości – tak zwane, ponieważ nie są widoczne gołym okiem – zostały po raz pierwszy opisane w czasopiśmie Science w 1993 roku przez Schopfa i jego zespół, który je zidentyfikował oparty głównie na unikalnych, cylindrycznych i włóknistych kształtach skamieniałości. Schopf, dyrektor Centrum Studiów nad Ewolucją i Pochodzeniem Życia UCLA, opublikował dalsze dowody potwierdzające ich tożsamość biologiczną w 2002 roku.
Zebrał skałę, w której znaleziono skamieniałości w 1982 roku, z Apex chert w Australii Zachodniej, jednym z niewielu miejsc na planecie, gdzie zachowały się dowody geologiczne wczesnej Ziemi, głównie dlatego, że nie zostało poddane procesom geologicznym, które mogłyby go zmienić, jak pochówek i ekstremalne ogrzewanie z powodu tektoniki płyt aktywność.
Ale wcześniejsze interpretacje Schopfa zostały zakwestionowane. Krytycy argumentowali, że są to po prostu dziwne minerały, które wyglądają tylko jak okazy biologiczne. Jednak, jak twierdzi Valley, nowe odkrycia rozwiały te wątpliwości; mikroskamieniałości są rzeczywiście biologiczne.
„Myślę, że to ustalone” – mówi.
Używając spektrometru mas jonów wtórnych (SIMS) w UW – Madison o nazwie IMS 1280 – jeden z zaledwie kilka takich instrumentów na świecie – Valley i jego zespół, w tym geologowie wydziałowi Kouki Kitajima i Michael Spicuzza, byli w stanie rozdzielić węgiel składający się na każdą skamieniałość na jej izotopy składowe i zmierzyć ich proporcje.
Izotopy są różne wersje tego samego pierwiastka chemicznego, które różnią się masą. Różne substancje organiczne – czy to w skałach, drobnoustrojach czy zwierzętach – zawierają charakterystyczne proporcje ich stabilnych izotopów węgla.
Korzystając z SIMS, zespół Valley był w stanie drażnić oddzielić węgiel-12 od węgla-13 w każdej skamielinie i zmierzyć stosunek tych dwóch w porównaniu do znanego wzorca izotopów węgla i niezawierającej kopalnych części skały, w której zostały znalezione.
” Różnice w stosunkach izotopów węgla korelują z ich kształtami ”- mówi Valley. „Jeśli nie są biologiczne, nie ma powodu do takiej korelacji. Ich stosunki C-13 do C-12 są charakterystyczne dla biologii i funkcji metabolicznych.”
John Valley, profesor nauk o Ziemi, jest na zdjęciu w swoim gabinecie w Weeks Hall. Zdjęcie: Jeff Miller
Na podstawie Dzięki tym informacjom naukowcom udało się również przypisać tożsamość i prawdopodobne zachowania fizjologiczne skamielinom zamkniętym w skale, mówi Valley. Wyniki pokazują, że „są to prymitywne, ale zróżnicowane grupy organizmów” – mówi Schopf.
Zespół zidentyfikował złożoną grupę drobnoustrojów: bakterie fototroficzne, które byłyby zależne od słońca do produkcji energii, Archaea, które produkowały metan oraz gammaproteobacteria, które konsumowały metan, gaz uważany za ważny składnik wczesnej atmosfery Ziemi przed tlenem. był obecny.
Naukowcy z UW – Madison podczas wyprawy terenowej 2010 do Apex Chert, formacji skalnej w zachodnia Australia należy do najstarszych i najlepiej zachowanych złóż skalnych na świecie. Dzięki uprzejmości John Valley
Opracowanie procesu dokładnej analizy mikroskamieniałości zajęło zespołowi Valley prawie 10 lat – skamieniałości tak stare i rzadkie nigdy wcześniej nie były poddawane analizie SIMS. Badanie opiera się na wcześniejszych osiągnięciach WiscSIMS w zakresie modyfikacji instrumentu SIMS, opracowania protokołów przygotowania i analizy próbek oraz kalibracji niezbędnych standardów, aby możliwie najlepiej dopasować zawartość węglowodorów do badanych próbek.
Przygotowując się do analizy SIMS, zespół musiał skrupulatnie zmielić oryginalną próbkę tak wolno, jak to tylko możliwe, aby odsłonić same delikatne skamieniałości – wszystkie zawieszone na różnych poziomach w skale i zamknięte w twardej warstwie kwarcu – bez faktycznego ich niszczenia. Spicuzza opisuje niezliczone wycieczki w górę iw dół po schodach na wydziale, kiedy technik geolog Brian Hess szlifował i polerował każdą mikroskamieniałość w próbce, po jednym mikrometrze.
Każda mikroskamieniałość ma około 10 mikrometrów szerokości; osiem z nich może zmieścić się na całej szerokości ludzkiego włosa.
Valley i Schopf są częścią konsorcjum badawczego Wisconsin Astrobiology, finansowanego przez NASA Astrobiology Institute, który istnieje po to, aby badać i rozumieć pochodzenie, przyszłość oraz naturę życia na Ziemi i we wszechświecie.
„Skamieniałości Apex są marne. Trudne do znalezienia. Trudne do zbadania. Występują w dużych ilościach, ale są zwęglone, rozdrobnione, przesadnie ugotowane. Drobne kawałki są powszechne, ale generalnie nijakie; krótkie dwu- lub trzykomórkowe fragmenty są rzadkie i łatwe do przeoczenia; nieliczne i bardzo odległe, a skamieniałości, które można by nazwać „dobrze zachowanymi” – jak te ze złoża Gunflint i Bitter Springs – nie istnieją. Gdyby te szczątki nie były tak niezwykłe starożytne, nie zasługiwałyby na zbytnią uwagę ”.
—J . William Schopf, „Cradle of Life”
Badania takie jak to, mówi Schopf, wskazują, że życie może być powszechne ghout wszechświat. Ale co ważne, tutaj, na Ziemi, ponieważ wykazano, że kilka różnych typów mikrobów było już obecnych 3,5 miliarda lat temu, mówi nam, że „życie musiało zacząć się znacznie wcześniej – nikt nie wie, ile wcześniej – i potwierdza, że nie jest to trudne aby prymitywne życie uformowało się i ewoluowało w bardziej zaawansowane mikroorganizmy ”, mówi Schopf.
Wcześniejsze badania Valley i jego zespołu, datowane na 2001 rok, wykazały, że oceany z wodą ciekłą istniały na Ziemi już 4,3 miliarda lat temu, ponad 800 milionów lat przed tym, jak żyłyby skamieniałości z niniejszych badań i zaledwie 250 milionów lat po powstaniu Ziemi.
„Nie mamy bezpośrednich dowodów na istnienie życia 4,3 miliarda lat temu ale nie ma powodu, dla którego tak się nie stało ”- mówi Valley. „To jest coś, czego wszyscy chcielibyśmy się dowiedzieć”.
UW – Madison ma spuściznę przesunięcia w tył przyjętych dat wczesnego życia na Ziemi. W 1953 r. Nieżyjący już Stanley Tyler, geolog z uniwersytet, który zmarł w 1963 roku w wieku 57 lat, był pierwszą osobą, która odkryła mikroskamieniałości w skałach prekambryjskich. To cofnęło początki życia o ponad miliard lat, z 540 milionów do 1,8 miliarda lat temu.
„Ludzie są naprawdę zainteresowani tym, kiedy po raz pierwszy pojawiło się życie na Ziemi” – mówi Valley. „To badanie było 10 razy bardziej czasochłonne i trudniejsze niż początkowo sądziłem, ale przyniosło efekty, ponieważ wielu oddanych ludzi było nim podekscytowanych od pierwszego dnia… Myślę, że na próbkach zostanie wykonanych znacznie więcej analiz mikroskamieniałości Ziemi i prawdopodobnie z innych ciał planetarnych. ”
Badania były wspierane przez NASA Astrobiology Institute na University of Wisconsin-Madison oraz Center for the Study of Evolution and the Origin of Life at UCLA. WiscSIMS jest wspierany przez National Science Foundation (EAR-1355590) i UW – Madison.