Wetenschap
IJzer-zwavelmineralen kunnen getuigen van de eerste microben op aarde die miljarden jaren geleden leefden
Een team van onderzoekers aan de universiteiten van Tübingen en Göttingen heeft ontdekt dat bepaalde mineralen met karakteristieke vormen kunnen duiden op de activiteit van bacteriën in hydrothermale ventilatieopeningen (of zwarte rokers) in de diepe oceaan, enkele miljarden jaren geleden.
Dit vertegenwoordigt een belangrijke stap in ons begrip van de oorsprong van het leven. De studie, geleid door Eric Runge en professor Jan-Peter Duda (nu beiden aan de Universiteit van Göttingen) en professor Andreas Kappler en Dr. Muammar Mansor, geomicrobiologen aan de Universiteit van Tübingen, is gepubliceerd in Communications Earth &Environment .
Uit geologische gegevens blijkt dat er al minstens 3,77 miljard jaar warmwaterbronnen op onze planeet bestaan. Onderzoekers zijn van mening dat warmwaterbronnen, vanwege hun extreem dynamische fysische en chemische omstandigheden, aanleiding kunnen hebben gegeven tot organische stoffen en tot het eerste leven op aarde. Er wordt gedacht dat soortgelijke systemen bestaan op andere planeten in ons zonnestelsel, wat erop wijst dat daar ook leven zou kunnen bestaan.
Het evolutionaire pad volgen
"Om te begrijpen hoe het leven is ontstaan, volgen we de evolutie van micro-organismen miljarden jaren terug. Om dit te doen, zoeken we naar sporen van leven, die we biosignaturen noemen, in de oudste rotsen op aarde", legt Eric Runge uit. die onderzoek deed aan de Universiteit van Tübingen in een Emmy Noether-werkgroep onder leiding van Jan-Peter Duda voordat beide wetenschappers naar de Universiteit van Göttingen verhuisden.
Runge zegt dat het niet altijd duidelijk is of mineralen in gesteenten worden gevormd door de werking van levende organismen zoals micro-organismen of uitsluitend door chemische en fysische processen. "We scherpen onze zoektocht naar biosignaturen aan en krijgen een beter inzicht in hoe biologisch gevormde mineralen veranderen gedurende lange geologische perioden", zegt hij.
Een bijzonder veelbelovende biosignatuur is het ijzer-zwavelmineraal pyriet – ‘fool’s gold’ – dat overvloedig aanwezig is in hydrothermale bronnen op de oceaanbodem. Pyriet kan direct of secundair uit het mineraal magnetiet worden gevormd wanneer het reageert met zwavelrijke vloeistoffen die daarbij worden aangetroffen. Cruciaal is dat het in verschillende vormen voorkomt.
"In onze analyses bleek pyriet in zijn karakteristieke bolvorm bijzonder interessant, met een structuur die lijkt op die van een framboos", meldt Andreas Kappler. "Het vormde zich pas in deze vorm toen het uitgangsmateriaal, magnetiet, werd gevormd door ijzerreducerende bacteriën."
Herschapen in een experiment
Bij gebrek aan lucht kunnen bepaalde bacteriën groeien en energie genereren door de elektronen uit hun voedsel over te dragen, niet naar zuurstof – zoals mensen en andere dieren doen – maar naar geoxideerd ijzer. Dit wordt verminderd en er kan magnetiet worden gevormd; een proces dat wijdverbreid is in de huidige hydrothermale bronnen op de oceaanbodem.
In het experiment heeft het onderzoeksteam nu gesimuleerd hoe magnetiet chemisch reageert met de zwavelrijke vloeistoffen die daar worden geproduceerd. Om dit te doen, namen ze zowel niet-biologisch gevormd magnetiet als magnetiet dat biologisch gevormd werd in bacterieculturen, en stelden ze afzonderlijk bloot aan de omstandigheden die heersen in de extreme habitats van de huidige magnetietvormende bacteriën rond zwarte rokers.
"We hebben waargenomen dat zowel het niet-biologische als het biologische magnetiet binnen enkele uren grotendeels waren opgelost. Uit ons onderzoek met behulp van een scanning-elektronenmicroscoop, uitgevoerd bij de Tübingen Structural Microscopy Core Facility (TSM), bleek echter dat de kristalvormen van de transformatieproducten verschilden al na een paar weken aanzienlijk", meldt Runge.
"Terwijl pyrietkristallen - vertakt en gevormd als dennenbomen - gevormd werden in de experimenten met niet-biologisch magnetiet, was de pyriet in de experimenten met biologisch magnetiet bolvormig." Dergelijke bolvormige pyrieten kunnen dienen als fossiel bewijs voor het vroege bacteriële leven, zegt Kappler, "vooral in de oudste rotsen gevormd door warmwaterbronnen op onze planeet."
“Onderzoek naar biosignaturen is echter niet alleen relevant voor het ontcijferen van de geschiedenis van het leven op aarde”, zegt Jan-Peter Duda. "Hete bronnen, vergelijkbaar met die op de oceaanbodem, zouden bijvoorbeeld kunnen voorkomen op Saturnusmaan Enceladus. Als daar leven is, zijn het hoogstwaarschijnlijk micro-organismen. Studies zoals de onze vormen de basis voor het herkennen van de sporen van dergelijke organismen."