Professor i geovetenskap John Valley, vänster, och forskaren Kouki Kitajima samarbetar i Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) i Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Forskare vid UCLA och University of Wisconsin – Madison har bekräftat att mikroskopiska fossiler som upptäcks i en nästan 3,5 miljarder år gammal sten i västra Australien är de äldsta fossilerna någonsin hittat och faktiskt det tidigaste direkta beviset på liv på jorden.
En epoxifäste som innehåller en flis av en nästan 3,5 miljarder år gammal sten från Apex-chertfyndigheten i västra Australien visas på Wisconsin Secondary Ion Mass Spectrometer Lab (WiscSIMS) i Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Studien, publicerad den 18 december 2017 i Proceedings of the National Academy of Sciences, leddes av J. William Schopf, professor i paleobiologi vid UCLA och John W. Valley, professor i geovetenskap vid University of Wisconsin – Madison. Forskningen bygger på ny teknik och vetenskaplig expertis som utvecklats av forskare vid UW – Madison WiscSIMS Laboratory.
Studien beskriver 11 mikrobiella prover från fem separata taxa som kopplar deras morfologier till kemiska signaturer som är karakteristiska för livet. Vissa representerar nu utdöda bakterier och mikrober från en livsdomän som heter Archaea, medan andra liknar mikrobiella arter som fortfarande finns idag. Resultaten antyder också hur var och en kan ha överlevt på en syrefri planet.
Ett exempel på en av mikrofossilerna som upptäcktes i ett stenprov som utvunnits från Apex Chert. En ny studie använde sofistikerad kemisk analys för att bekräfta att de mikroskopiska strukturer som finns i berget är biologiska. Med tillstånd av J. William Schopf
Mikrofossilerna – så kallade för att de inte är uppenbara för blotta ögat – beskrevs först i tidskriften Science 1993 av Schopf och hans team, som identifierade dem baseras till stor del på fossilernas unika, cylindriska och glödtrådiga former. Schopf, chef för UCLAs Center for the Study of Evolution and the Origin of Life, publicerade ytterligare stödjande bevis för deras biologiska identitet 2002.
Han samlade berget i vilket fossilerna hittades 1982 från Apex chertavsättning av västra Australien, en av få platser på planeten där geologiska bevis för tidig jord har bevarats, till stor del för att den inte har utsatts för geologiska processer som skulle ha förändrat den, som begravning och extrem uppvärmning på grund av plåttektonisk aktivitet.
Men Schopfs tidigare tolkningar har ifrågasatts. Kritiker hävdade att de bara är udda mineraler som bara ser ut som biologiska prover. Valley säger dock att de nya fynden vilar dessa tvivel; mikrofossilerna är verkligen biologiska.
”Jag tror att det är avgjort”, säger han.
Med hjälp av en sekundär jonmasspektrometer (SIMS) vid UW – Madison kallad IMS 1280 – en av bara en handfull sådana instrument i världen – Valley och hans team, inklusive avdelningsgeologer Kouki Kitajima och Michael Spicuzza, kunde separera kolet som består av varje fossil i dess isotoper och mäta deras förhållanden.
Isotoper är olika versioner av samma kemiska grundämne som varierar i massor. Olika organiska ämnen – oavsett om de är i sten, mikrober eller djur – innehåller karakteristiska förhållanden för deras stabila kolisotoper. bortsett från kol-12 från kol-13 i varje fossil och mät förhållandet mellan de två jämfört med en känd kolisotopstandard och en fossilfri del av berget där de hittades.
” Skillnaderna i kolisotopförhållanden korrelerar med deras former, säger Valley. ”Om de inte är biologiska finns det ingen anledning för en sådan korrelation. Deras C-13-till-C-12-förhållanden är karakteristiska för biologi och metabolisk funktion.”
John Valley, professor i geovetenskap, avbildas på sitt kontor i Weeks Hall. Foto: Jeff Miller
Baserat på denna information kunde forskarna också tilldela identiteter och sannolikt fysiologiskt beteende till de fossiler som är låsta inne i berget, säger Valley. Resultaten visar att ”det här är en primitiv men mångskiftande grupp av organismer”, säger Schopf.
Teamet identifierade en komplex grupp av mikrober: fototrofa bakterier som skulle ha litat på solen för att producera energi, Archaea som producerade metan och gammaproteobakterier som konsumerade metan, en gas som tros vara en viktig beståndsdel i jordens tidiga atmosfär före syre var närvarande.
UW – Madison geoscience researchers on a 2010 field trip to the Apex Chert, a rock formation in västra Australien som är bland de äldsta och bäst bevarade bergfyndigheterna i världen. Med tillstånd av John Valley
Det tog Valley’s team nästan tio år att utveckla processerna för att korrekt analysera mikrofossiler – fossil som är så gammal och sällsynt har aldrig varit föremål för SIMS-analys tidigare. Studien bygger på tidigare prestationer på WiscSIMS för att modifiera SIMS-instrumentet, för att utveckla protokoll för beredning och analys av prov och för att kalibrera nödvändiga standarder för att så nära kolvätehalten som möjligt matcha proverna av intresse.
Som förberedelse för SIMS-analys behövde teamet noggrant slipa det ursprungliga provet så långsamt som möjligt för att exponera själva de känsliga fossilerna – alla upphängda på olika nivåer i berget och inneslutna i ett hårt lager av kvarts – utan att förstöra dem. Spicuzza beskriver att göra otaliga resor upp och ner för trapporna i avdelningen som geovetenskapstekniker Brian Hess slipade och polerade varje mikrofossil i provet, en mikrometer i taget.
Varje mikrofossil är cirka 10 mikrometer bred; åtta av dem kan passa längs bredden på ett mänskligt hår.
Valley och Schopf är en del av Wisconsin Astrobiology Research Consortium, finansierat av NASA Astrobiology Institute, som finns för att studera och förstå ursprunget, framtiden och livets natur på jorden och i hela universum.
”Apex-fossilerna är skrämmande. Svårt att hitta. Svårt att studera. De är rikliga men förkolnade, strimlade, alltför kokta. Små bitar är vanliga men i allmänhet icke-beskrivande, korta två-eller-tre-celliga fragment är sällsynta och lätta att förbise, många-celliga exemplar är få och långt emellan, och fossiler som kan kallas ”välbevarade” – som de från Gunflint och Bitter Springs-deponeringen – är obefintliga. Var dessa rester inte så anmärkningsvärt forntida skulle de inte förtjäna mycket uppmärksamhet. ”
—J William Schopf, ”Livets vagga”
Studier som den här, säger Schopf, indikerar att livet kan vara vanligt genom utan universum. Men viktigare, här på jorden, eftersom flera olika typer av mikrober visades vara närvarande för 3,5 miljarder år sedan, säger det oss att ”livet måste ha börjat väsentligt tidigare – ingen vet hur mycket tidigare – och bekräftar att det inte är svårt för att primitivt liv ska bildas och utvecklas till mer avancerade mikroorganismer, säger Schopf.
Tidigare studier av Valley och hans team, som dateras till 2001, har visat att flytande vattenhav fanns på jorden så tidigt som 4,3 miljarder. år sedan, mer än 800 miljoner år innan fossilerna i den aktuella studien skulle ha levt, och bara 250 miljoner år efter att jorden bildades.
”Vi har inga direkta bevis för att livet fanns för 4,3 miljarder år sedan men det finns ingen anledning till varför det inte kunde ha, säger Valley. ”Detta är något som vi alla vill ta reda på.”
UW – Madison har ett arv från att driva tillbaka de accepterade datumen för tidigt liv på jorden. 1953 avlid Stanley Tyler, en geolog vid universitet som avled 1963 vid 57 års ålder, var den första personen som upptäckte mikrofossiler i prekambrianska bergarter. Detta drev livets ursprung tillbaka för mer än en miljard år, från 540 miljoner till 1,8 miljarder år sedan.
”Människor är verkligen intresserade av när livet på jorden först uppstod”, säger Valley. ”Den här studien var tio gånger mer tidskrävande och svårare än jag först trodde, men den kom till verkan på grund av många dedikerade människor som har varit glada över detta sedan första dagen … Jag tror att mycket mer mikrofossila analyser kommer att göras på prover av jorden och möjligen från andra planetkroppar. ”
Forskningen stöddes av NASA Astrobiology Institute vid University of Wisconsin – Madison och Center for the Study of Evolution and the Origin of Life at UCLA. WiscSIMS stöds av National Science Foundation (EAR-1355590) och UW – Madison.