Onderzoekers van de UCLA en de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben bevestigd dat microscopisch kleine fossielen die zijn ontdekt in een bijna 3,5 miljard jaar oud stuk rots in West-Australië de oudste fossielen zijn die ooit zijn gevonden en zelfs het vroegste directe bewijs van leven op aarde.

De studie, vandaag gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , werd geleid door J. William Schopf, hoogleraar paleobiologie aan de UCLA, en John W. Valley, hoogleraar geowetenschappen aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. Het onderzoek was gebaseerd op nieuwe technologie en wetenschappelijke expertise ontwikkeld door onderzoekers in het UW-Madison WiscSIMS Laboratory.

De studie beschrijft 11 microbiële specimens van vijf afzonderlijke taxa, het koppelen van hun morfologie aan chemische handtekeningen die kenmerkend zijn voor het leven. Sommige vertegenwoordigen nu uitgestorven bacteriën en microben uit een levensdomein genaamd Archaea, terwijl andere lijken op microbiële soorten die vandaag de dag nog steeds worden gevonden. De bevindingen suggereren ook hoe elk kan hebben overleefd op een zuurstofvrije planeet.

De microfossielen - zo genoemd omdat ze met het blote oog niet zichtbaar zijn - werden voor het eerst beschreven in het tijdschrift Science in 1993 door Schopf en zijn team, die ze grotendeels identificeerden op basis van de unieke, cilindrische en draadvormige vormen. Schopf, directeur van UCLA's Centre for the Study of Evolution and the Origin of Life, publiceerde verder ondersteunend bewijs van hun biologische identiteit in 2002.

Hij verzamelde de rots waarin de fossielen werden gevonden in 1982 uit de Apex chert deposit van West-Australië, een van de weinige plaatsen op de planeet waar geologisch bewijs van de vroege aarde bewaard is gebleven, grotendeels omdat het niet is onderworpen aan geologische processen die het zouden hebben veranderd, zoals begraven en extreme verhitting als gevolg van plaattektonische activiteit.

Maar Schopfs eerdere interpretaties zijn omstreden. Critici beweerden dat het gewoon vreemde mineralen zijn die er alleen uitzien als biologische exemplaren. Echter, Vallei zegt, de nieuwe bevindingen hebben deze twijfels weggenomen; de microfossielen zijn inderdaad biologisch.

"Ik denk dat het geregeld is, " hij zegt.

Met behulp van een secundaire ionenmassaspectrometer (SIMS) bij UW-Madison, IMS 1280 genaamd - een van slechts een handvol van dergelijke instrumenten in de wereld - Valley en zijn team, waaronder de afdelingsgeologen Kouki Kitajima en Michael Spicuzza, waren in staat om de koolstof waaruit elk fossiel bestaat te scheiden in zijn samenstellende isotopen en hun verhoudingen te meten.

Isotopen zijn verschillende versies van hetzelfde chemische element die in massa variëren. Verschillende organische stoffen - in gesteente, microbe of dier-bevatten karakteristieke verhoudingen van hun stabiele koolstofisotopen.

Simkaarten gebruiken, Het team van Valley was in staat om de koolstof-12 van de koolstof-13 in elk fossiel te scheiden en de verhouding van de twee te meten in vergelijking met een bekende koolstofisotoopstandaard en een fossielloos deel van de rots waarin ze werden gevonden.

"De verschillen in koolstofisotoopverhoudingen correleren met hun vormen, " zegt Valley. "Als ze niet biologisch zijn, is er geen reden voor zo'n correlatie. Hun C-13-tot-C-12-verhoudingen zijn kenmerkend voor biologie en metabolische functie."

Op basis van deze informatie, de onderzoekers waren ook in staat om identiteiten en waarschijnlijk fysiologisch gedrag toe te wijzen aan de fossielen die in de rots waren opgesloten, zegt Vallei. De resultaten laten zien dat "dit een primitief, maar diverse groep organismen, ’ zegt Schop.

Het team identificeerde een complexe groep microben:fototrofe bacteriën die op de zon zouden hebben vertrouwd om energie te produceren, Archaea die methaan produceerde, en gammaproteobacteriën die methaan consumeerden, een gas waarvan wordt aangenomen dat het een belangrijk bestanddeel is van de vroege atmosfeer van de aarde voordat zuurstof aanwezig was.

Het kostte Valley's team bijna 10 jaar om de processen te ontwikkelen om de microfossielen nauwkeurig te analyseren - fossielen die zo oud en zeldzaam zijn, zijn nog nooit eerder aan SIMS-analyse onderworpen. De studie bouwt voort op eerdere prestaties bij WiscSIMS om het SIMS-instrument aan te passen, het ontwikkelen van protocollen voor monstervoorbereiding en analyse, en om de noodzakelijke normen te kalibreren om het koolwaterstofgehalte zo goed mogelijk af te stemmen op de monsters van belang.

Ter voorbereiding op SIMS-analyse, het team moest het originele monster zo langzaam mogelijk vermalen om de delicate fossielen zelf bloot te leggen - allemaal op verschillende niveaus in de rots en ingekapseld in een harde laag kwarts - zonder ze daadwerkelijk te vernietigen. Spicuzza beschrijft het maken van talloze trappen op en neer in de afdeling terwijl geowetenschappelijk technicus Brian Hess elk microfossiel in het monster grond en polijstte, één micrometer per keer.

Elk microfossiel is ongeveer 10 micrometer breed; acht van hen zouden kunnen passen langs de breedte van een mensenhaar.

Valley en Schopf maken deel uit van het Wisconsin Astrobiology Research Consortium, gefinancierd door het NASA Astrobiology Institute, die bestaat om de oorsprong te bestuderen en te begrijpen, de toekomst en de aard van het leven op aarde en in het hele universum.

Studies zoals deze, Schopf zegt, geven aan dat het leven in het hele universum gewoon zou kunnen zijn. Maar belangrijker, hier op aarde, omdat er 3,5 miljard jaar geleden al verschillende soorten microben aanwezig waren, het vertelt ons dat "het leven aanzienlijk eerder moest zijn begonnen - niemand weet hoeveel eerder - en bevestigt dat het voor primitief leven niet moeilijk is om zich te vormen en te evolueren tot meer geavanceerde micro-organismen, ’ zegt Schop.

Eerdere studies van Valley en zijn team, daterend uit 2001, hebben aangetoond dat er al 4,3 miljard jaar geleden oceanen met vloeibaar water op aarde bestonden, meer dan 800 miljoen jaar voordat de fossielen van de huidige studie zouden hebben geleefd, en slechts 250 miljoen jaar nadat de aarde gevormd was.

"We hebben geen direct bewijs dat het leven 4,3 miljard jaar geleden bestond, maar er is geen reden waarom dat niet zou kunnen. "zegt Valley. "Dit is iets dat we allemaal graag zouden willen weten."

UW-Madison heeft een erfenis van het terugdringen van de geaccepteerde data van het vroege leven op aarde. In 1953, wijlen Stanley Tyler, een geoloog aan de universiteit die in 1963 op 57-jarige leeftijd overleed, was de eerste persoon die microfossielen ontdekte in Precambrische rotsen. Dit duwde de oorsprong van het leven meer dan een miljard jaar terug, van 540 miljoen tot 1,8 miljard jaar geleden.

"Mensen zijn echt geïnteresseerd in wanneer het leven op aarde voor het eerst ontstond, Valley zegt. "Deze studie was 10 keer tijdrovender en moeilijker dan ik me eerst had voorgesteld, maar het kwam tot wasdom dankzij veel toegewijde mensen die hier sinds dag één enthousiast over zijn ... Ik denk dat er nog veel meer microfossiele analyses zullen worden gemaakt op monsters van de aarde en mogelijk van andere planetaire lichamen."