Profesor de știință John Valley, stânga, și omul de știință Kouki Kitajima colaborează în Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) în Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Cercetătorii de la UCLA și de la Universitatea din Wisconsin – Madison au confirmat că fosilele microscopice descoperite într-o bucată de rocă veche de aproape 3,5 miliarde de ani în Australia de Vest sunt cele mai vechi fosile găsit vreodată și într-adevăr cea mai timpurie dovadă directă a vieții pe Pământ.
O montură epoxidică conținând o fâșie a unei roci vechi de aproape 3,5 miliarde de ani din zăcământul Apex chert din Australia de Vest este ilustrată la Laboratorul de spectrometru de masă ionic secundar din Wisconsin (WiscSIMS) în Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Studiul, publicat pe 18 decembrie 2017 în Proceedings of the National Academy of Sciences, a fost condus de J. William Schopf, profesor de paleobiologie la UCLA, și John W. Valley, profesor de geoștiință la Universitatea din Wisconsin – Madison. Cercetarea s-a bazat pe noile tehnologii și expertiza științifică dezvoltate de cercetătorii din laboratorul UW – Madison WiscSIMS.
Studiul descrie 11 specimene microbiene din cinci taxoni separați, corelându-și morfologiile cu semnăturile chimice caracteristice vieții. Unele reprezintă bacterii și microbi dispăruți acum dintr-un domeniu al vieții numit Archaea, în timp ce altele sunt similare cu speciile microbiene găsite și astăzi. Descoperirile sugerează, de asemenea, modul în care fiecare a supraviețuit pe o planetă fără oxigen.
Un exemplu de una dintre microfosilele descoperite într-un eșantion de rocă recuperat din Apex Chert. Un nou studiu a folosit analize chimice sofisticate pentru a confirma că structurile microscopice găsite în rocă sunt biologice. Amabilitatea lui J. William Schopf
Microfosilele – așa-numitele pentru că nu sunt evidente cu ochiul liber – au fost descrise pentru prima dată în revista Science în 1993 de către Schopf și echipa sa, care le-au identificat bazată în mare parte pe formele unice, cilindrice și filamentoase ale fosilelor. Schopf, directorul Centrului pentru Studiul Evoluției și Originea Vieții a UCLA, a publicat în 2002 dovezi suplimentare care susțin identitățile lor biologice.
El a strâns din Apex roca în care au fost găsite fosilele în 1982. depozit chert din Australia de Vest, unul dintre puținele locuri de pe planetă în care s-au păstrat dovezi geologice ale Pământului timpuriu, în mare parte pentru că nu a fost supus unor procese geologice care l-ar fi modificat, cum ar fi înmormântarea și încălzirea extremă datorită plăcii-tectonice activitate.
Dar interpretările anterioare ale lui Schopf au fost contestate. Criticii au susținut că sunt doar minerale ciudate care arată doar ca specimene biologice. Cu toate acestea, spune Valley, noile descoperiri au pus aceste îndoieli în pace; microfosilele sunt într-adevăr biologice.
„Cred că s-a rezolvat”, spune el.
Folosind un spectrometru de masă ionic secundar (SIMS) la UW-Madison numit IMS 1280 – unul dintre toți o mână de astfel de instrumente în lume – Valley și echipa sa, inclusiv geologii departamentului Kouki Kitajima și Michael Spicuzza, au reușit să separe carbonul care compune fiecare fosilă în izotopii săi constitutivi și să măsoare raporturile lor.
Izotopii sunt diferite versiuni ale aceluiași element chimic care variază în masă. Diferite substanțe organice – indiferent dacă sunt în roci, microbi sau animale – conțin rapoarte caracteristice ale izotopilor de carbon stabili.
Folosind SIMS, echipa Valley a reușit să tachineze în afară de carbonul 12 de carbonul 13 din fiecare fosilă și măsurați raportul celor două în comparație cu un standard cunoscut de izotop de carbon și o secțiune a rocii în care au fost găsite fără fosile.
” Diferențele în raporturile izotopilor de carbon se corelează cu formele lor ”, spune Valley. „Dacă nu sunt biologice, nu există niciun motiv pentru o astfel de corelație. Rapoartele lor C-13-C-12 sunt caracteristice biologiei și funcției metabolice.”
John Valley, profesor de geoștiință, este ilustrat în biroul său din Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Bazat pe aceste informații, cercetătorii au putut, de asemenea, să atribuie identități și comportamente fiziologice probabile fosilelor blocate în interiorul stâncii, spune Valley. Rezultatele arată că „acestea sunt un grup primitiv, dar divers de organisme”, spune Schopf.
Echipa a identificat un grup complex de microbi: bacterii fototrofe care s-ar fi bazat pe soare pentru a produce energie, Archaea care a produs metan și gammaproteobacterii care au consumat metan, un gaz despre care se crede că este un component important al atmosferei timpurii a Pământului înainte de oxigen a fost prezent.
Cercetătorii de geoștiință UW – Madison într-o excursie din 2010 la Apex Chert, o formațiune de roci din vestul Australiei, care se numără printre cele mai vechi și mai bine conservate depozite de roci din lume. Amabilitatea lui John Valley
Echipa lui Valley a avut nevoie de aproape 10 ani pentru a dezvolta procesele pentru a analiza cu precizie microfosilele – fosilele atât de vechi și rare nu au fost niciodată supuse analizei SIMS. Studiul se bazează pe realizările anterioare de la WiscSIMS pentru a modifica instrumentul SIMS, pentru a dezvolta protocoale de pregătire și analiză a probelor și pentru a calibra standardele necesare pentru a potrivi cât mai aproape posibil conținutul de hidrocarburi cu probele de interes.
În pregătirea pentru analiza SIMS, echipa a trebuit să măcineze cu atenție eșantionul original cât mai încet posibil pentru a expune ele însele fosilele delicate – toate suspendate la diferite niveluri în roca și învelite într-un strat dur de cuarț – fără a le distruge efectiv. Spicuzza descrie efectuarea nenumăratelor călătorii în sus și în jos pe scări în departament ca un tehnician geoștiințific Brian Hess și a lustruit fiecare microfosilă din probă, câte un micrometru la un moment dat.
Fiecare microfosilă are o lățime de aproximativ 10 micrometri; opt dintre ele s-ar putea potrivi de-a lungul lățimii unui fir de păr uman.
Valley și Schopf fac parte din Wisconsin Astrobiology Research Consortium, finanțat de NASA Astrobiology Institute, care există pentru a studia și a înțelege originile, viitorul și natura vieții pe Pământ și în tot universul.
„Fosilele din Apex sunt mizerabile. Greu de găsit. Greu de studiat. Sunt abundente, dar carbonizate, mărunțite, prea fierte. Bucățile mici sunt obișnuite, dar în general nedescriptibile; fragmentele scurte cu două sau trei celule sunt rare și ușor de trecut cu vederea; exemplarele cu mai multe celule sunt puține și îndepărtate și fosilele care ar putea fi numite „bine conservate” – cum ar fi cele din depozitul Gunflint și Bitter Springs – sunt inexistente. Dacă aceste rămășițe nu ar fi fost atât de remarcabil de vechi, nu ar merita prea multă atenție. ”
– J . William Schopf, „Cradle of Life”
Studii precum acesta, spune Schopf, indică faptul că viața ar putea fi obișnuită ghout universul. Dar, important, aici, pe Pământ, deoarece s-a dovedit că mai multe tipuri diferite de microbi erau deja prezenți în urmă cu 3,5 miliarde de ani, ne spune că „viața trebuia să înceapă substanțial mai devreme – nimeni nu știe cât de devreme – și confirmă că nu este dificil pentru ca viața primitivă să se formeze și să evolueze în microorganisme mai avansate „, spune Schopf.
Studiile anterioare efectuate de Valley și echipa sa, datând din 2001, au arătat că oceanele de apă lichidă existau pe Pământ încă de la 4,3 miliarde cu ani în urmă, cu mai mult de 800 de milioane de ani înainte ca fosilele studiului actual să fi fost în viață și la doar 250 de milioane de ani de la formarea Pământului. dar nu există niciun motiv pentru care n-ar fi putut avea ”, spune Valley. „Este ceva ce am vrea cu toții să aflăm.”
UW – Madison are moștenirea de a împinge înapoi datele acceptate ale vieții timpurii pe Pământ. În 1953, regretatul Stanley Tyler, geolog la Universitatea care a decedat în 1963, la vârsta de 57 de ani, a fost prima persoană care a descoperit microfosile în rocile precambriene. Aceasta a împins originile vieții în urmă cu mai mult de un miliard de ani, de la 540 milioane la 1,8 miliarde de ani în urmă.
Oamenii sunt cu adevărat interesați de momentul în care a apărut prima dată viața pe Pământ”, spune Valley. „Acest studiu a fost de 10 ori mai consumator de timp și mai dificil decât mi-am imaginat pentru prima dată, dar a ajuns la realizare din cauza multor oameni dedicați care au fost încântați de acest lucru încă din prima zi … Cred că se vor face mult mai multe analize microfosile pe probe a Pământului și, eventual, din alte corpuri planetare. ”
Cercetarea a fost susținută de Institutul de Astrobiologie NASA de la Universitatea din Wisconsin-Madison și de Centrul pentru Studiul Evoluției și Originea Vieții de la UCLA. WiscSIMS este susținut de National Science Foundation (EAR-1355590) și UW – Madison.