De ældste fossiler, der nogensinde er fundet, viser, at livet på Jorden begyndte før 3,5 milliarder år siden

Forskere ved UCLA og University of Wisconsin-Madison har bekræftet, at mikroskopiske fossiler opdaget i et næsten 3,5 milliarder år gammelt klippestykke i det vestlige Australien er de ældste fossiler, der nogensinde er fundet og faktisk det tidligste direkte bevis på liv på Jorden.

Studiet, offentliggjort i dag i Proceedings of the National Academy of Sciences , blev ledet af J. William Schopf, professor i palæobiologi ved UCLA, og John W. Valley, professor i geovidenskab ved University of Wisconsin-Madison. Forskningen var afhængig af ny teknologi og videnskabelig ekspertise udviklet af forskere i UW-Madison WiscSIMS Laboratory.

Undersøgelsen beskriver 11 mikrobielle prøver fra fem separate taxaer, forbinder deres morfologier med kemiske signaturer, der er karakteristiske for liv. Nogle repræsenterer nu uddøde bakterier og mikrober fra et livsdomæne kaldet Archaea, mens andre ligner mikrobielle arter, der stadig findes i dag. Resultaterne tyder også på, hvordan hver enkelt kan have overlevet på en iltfri planet.

Mikrofossilerne - såkaldte fordi de ikke er tydelige for det blotte øje - blev først beskrevet i tidsskriftet Science i 1993 af Schopf og hans team, som identificerede dem i vid udstrækning baseret på fossilernes unikke, cylindriske og trådformede former. Schopf, direktør for UCLA's Center for Study of Evolution and the Origin of Life, offentliggjorde yderligere dokumentation for deres biologiske identitet i 2002.

Han samlede stenen, hvori fossilerne blev fundet i 1982, fra Apex chert-aflejringen i det vestlige Australien, et af de få steder på planeten, hvor geologiske beviser for tidlig Jord er blevet bevaret, hovedsagelig fordi det ikke har været udsat for geologiske processer, der ville have ændret det, som begravelse og ekstrem opvarmning på grund af pladetektonisk aktivitet.

Men Schopfs tidligere fortolkninger er blevet bestridt. Kritikere hævdede, at de bare er mærkelige mineraler, der kun ligner biologiske prøver. Imidlertid, Valley siger, de nye resultater bragte denne tvivl til ro; mikrofossilerne er faktisk biologiske.

"Jeg tror, ​​det er afgjort, " han siger.

Ved at bruge et sekundært ionmassespektrometer (SIMS) på UW-Madison kaldet IMS 1280 - et af blot en håndfuld sådanne instrumenter i verden - Valley og hans team, herunder afdelingens geoforskere Kouki Kitajima og Michael Spicuzza, var i stand til at adskille det kulstof, der komponerede hvert fossil, i dets isotoper og måle deres forhold.

Isotoper er forskellige versioner af det samme kemiske element, der varierer i deres masser. Forskellige organiske stoffer - hvad enten de er i sten, mikrobe eller dyr - indeholder karakteristiske forhold mellem deres stabile kulstofisotoper.

Ved hjælp af SIMS, Valleys team var i stand til at skille kulstof-12 fra kulstof-13 inden for hvert fossil og måle forholdet mellem de to sammenlignet med en kendt kulstofisotopstandard og en fossilfri del af klippen, hvor de blev fundet.

"Forskellene i kulstofisotopforhold korrelerer med deres former, " siger Valley. "Hvis de ikke er biologiske, er der ingen grund til en sådan sammenhæng. Deres C-13-til-C-12-forhold er karakteristiske for biologi og metabolisk funktion."

Baseret på disse oplysninger, forskerne var også i stand til at tildele identiteter og sandsynlig fysiologisk adfærd til fossilerne låst inde i klippen, siger Valley. Resultaterne viser, at "disse er en primitiv, men forskellig gruppe af organismer, siger Schopf.

Holdet identificerede en kompleks gruppe af mikrober:fototrofiske bakterier, der ville have været afhængige af solen til at producere energi, Archaea, der producerede metan, og gammaproteobakterier, der forbrugte metan, en gas, der menes at være en vigtig bestanddel af Jordens tidlige atmosfære, før ilt var til stede.

Det tog Valleys team næsten 10 år at udvikle processerne til nøjagtigt at analysere mikrofossilerne – så gamle og sjældne fossiler har aldrig været udsat for SIMS-analyse før. Undersøgelsen bygger på tidligere resultater hos WiscSIMS for at ændre SIMS-instrumentet, at udvikle protokoller til prøveforberedelse og analyse, og at kalibrere nødvendige standarder for at matche kulbrinteindholdet så tæt som muligt til prøverne af interesse.

Som forberedelse til SIMS-analyse, holdet var nødt til omhyggeligt at male den originale prøve ned så langsomt som muligt for at blotlægge selve de sarte fossiler – alle suspenderet på forskellige niveauer i klippen og indkapslet i et hårdt lag kvarts – uden faktisk at ødelægge dem. Spicuzza beskriver at lave utallige ture op og ned ad trapperne i afdelingen, mens geovidenskabstekniker Brian Hess malede og polerede hvert mikrofossil i prøven, en mikrometer ad gangen.

Hvert mikrofossil er omkring 10 mikrometer bredt; otte af dem kunne passe langs bredden af ​​et menneskehår.

Valley og Schopf er en del af Wisconsin Astrobiology Research Consortium, finansieret af NASA Astrobiology Institute, som eksisterer for at studere og forstå oprindelsen, fremtiden og livets natur på Jorden og i hele universet.

Undersøgelser som denne, Schopf siger, indikerer, at liv kunne være almindeligt i hele universet. Men vigtigst af alt, her på jorden, fordi flere forskellige typer mikrober allerede viste sig at være til stede for 3,5 milliarder år siden, den fortæller os, at "livet skulle være begyndt væsentligt tidligere - ingen ved hvor meget tidligere - og bekræfter, at det ikke er svært for primitivt liv at dannes og udvikle sig til mere avancerede mikroorganismer, siger Schopf.

Tidligere undersøgelser af Valley og hans team, dateres til 2001, har vist, at flydende vandhave eksisterede på Jorden så tidligt som for 4,3 milliarder år siden, mere end 800 millioner år før fossilerne i denne undersøgelse ville have været i live, og kun 250 millioner år efter at Jorden blev dannet.

"Vi har ingen direkte beviser for, at der eksisterede liv for 4,3 milliarder år siden, men der er ingen grund til, at det ikke kunne have det, " siger Valley. "Dette er noget, vi alle gerne vil finde ud af."

UW-Madison har en arv fra at skubbe de accepterede datoer for tidligt liv på Jorden tilbage. I 1953, afdøde Stanley Tyler, en geolog ved universitetet, der døde i 1963 i en alder af 57, var den første person, der opdagede mikrofossiler i prækambriske klipper. Dette skubbede livets oprindelse mere end en milliard år tilbage, fra 540 millioner til 1,8 milliarder år siden.

"Folk er virkelig interesseret i, hvornår livet på Jorden først opstod, " siger Valley. "Denne undersøgelse var 10 gange mere tidskrævende og vanskeligere, end jeg først havde forestillet mig, men det kom til virkelighed på grund af mange dedikerede mennesker, der har været begejstrede for dette siden dag ét... Jeg tror, ​​at der vil blive lavet mange flere mikrofossilanalyser på prøver af Jorden og muligvis fra andre planetariske legemer."