Drie en een half miljard jaar geleden, Aarde gehost leven, maar overleefde het nauwelijks, of bloeiend? Een nieuwe studie, uitgevoerd door een multi-institutioneel team met leiderschap, waaronder het Earth-Life Science Institute (ELSI) van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), biedt nieuwe antwoorden op deze vraag. Microbieel metabolisme wordt geregistreerd in miljarden jaren zwavelisotoopverhoudingen die overeenkomen met de voorspellingen van deze studie, wat suggereert dat het leven bloeide in de oude oceanen. Met behulp van deze gegevens, wetenschappers kunnen het geochemische record dieper verbinden met cellulaire toestanden en ecologie.

Wetenschappers willen weten hoe lang het leven op aarde al bestaat. Als het al bijna net zo lang bestaat als de planeet, dit suggereert dat leven gemakkelijk kan ontstaan ​​en daarom algemeen zou moeten zijn in het universum. Als het lang duurt voordat het is ontstaan, dit suggereert dat er zeer speciale omstandigheden moesten optreden. dinosaurussen, waarvan de botten worden gepresenteerd in musea over de hele wereld, werden miljarden jaren voorafgegaan door microben. Hoewel microben enig fysiek bewijs van hun aanwezigheid hebben achtergelaten in het oude geologische archief, ze verstarren niet goed, dus gebruiken wetenschappers andere methoden om te begrijpen of er leven in het geologische archief aanwezig was.

momenteel, het oudste bewijs van microbieel leven op aarde komt tot ons in de vorm van stabiele isotopen. De chemische elementen die in het periodiek systeem in kaart worden gebracht, worden bepaald door het aantal protonen in hun kernen. Bijvoorbeeld, waterstofatomen hebben één proton, heliumatomen hebben er twee, koolstofatomen bevatten zes. Naast protonen, de meeste atoomkernen bevatten ook neutronen, die ongeveer zo zwaar zijn als protonen, maar die geen elektrische lading dragen. Atomen die hetzelfde aantal protonen bevatten, maar variabele aantallen neutronen, staan ​​bekend als isotopen. Hoewel veel isotopen radioactief zijn en dus vervallen in andere elementen, sommige ondergaan dergelijke reacties niet; deze staan ​​bekend als "stabiele" isotopen. Bijvoorbeeld, de stabiele isotopen van koolstof omvatten koolstof 12 (afgekort als 12C, met 6 protonen en 6 neutronen) en koolstof 13 (13C, met 6 protonen en 7 neutronen).

Alle levende dingen, inclusief mensen, "eten en uitscheiden." Het is te zeggen, ze nemen voedsel op en verdrijven afval. Microben eten vaak eenvoudige verbindingen die door de omgeving beschikbaar worden gesteld. Bijvoorbeeld, sommige kunnen koolstofdioxide (CO ₂ ) als koolstofbron om hun eigen cellen te bouwen. Natuurlijk voorkomende CO ₂ heeft een vrij constante verhouding van 12C tot 13C. Echter, 12CO ₂ is ongeveer 2 procent lichter dan 13CO ₂ , dus 12CO ₂ moleculen diffunderen en reageren iets sneller, en zo worden de microben zelf "isotopisch licht, " met meer 12C dan 13C, en wanneer ze sterven en hun overblijfselen achterlaten in het fossielenbestand, hun stabiele isotopensignatuur blijft, en meetbaar is. De isotopensamenstelling, of "handtekening, " van dergelijke processen kan heel specifiek zijn voor de microben die ze produceren.

Naast koolstof, er zijn andere chemische elementen die essentieel zijn voor levende wezens. Bijvoorbeeld, zwavel, met 16 protonen, heeft drie van nature overvloedige stabiele isotopen, ³² S (met 16 neutronen), ³³ S (met 17 neutronen) en ³⁴ S (met 18 neutronen). Zwavelisotooppatronen achtergelaten door microben leggen dus de geschiedenis vast van het biologische metabolisme op basis van zwavelhoudende verbindingen tot ongeveer 3,5 miljard jaar geleden.

Honderden eerdere studies hebben grote variaties onderzocht in oude en hedendaagse zwavelisotoopverhoudingen als gevolg van het metabolisme van sulfaat (een natuurlijk voorkomende zwavelverbinding gebonden aan vier zuurstofatomen). Veel microben kunnen sulfaat als brandstof gebruiken, en daarbij sulfide afscheiden, een andere zwavelverbinding (Figuur 1). Het sulfide "afval" van het oude microbiële metabolisme wordt vervolgens opgeslagen in het geologische record, en de isotopenverhoudingen kunnen worden gemeten door mineralen zoals het FeS2-mineraalpyriet te analyseren dat wordt weergegeven in figuur 2.

Deze nieuwe studie onthult een primaire biologische controlestap in het microbiële zwavelmetabolisme, en verduidelijkt welke cellulaire toestanden leiden tot welke soorten zwavelisotoopfractionering. Hierdoor kunnen wetenschappers metabolisme koppelen aan isotopen:door te weten hoe metabolisme stabiele isotopenverhoudingen verandert, wetenschappers kunnen voorspellen welke isotopische kenmerkende organismen zouden moeten achterlaten.

Deze studie biedt enkele van de eerste informatie over hoe robuust het oude leven aan het metaboliseren was. Microbieel sulfaatmetabolisme wordt geregistreerd in meer dan 3 miljard jaar zwavelisotoopverhoudingen die in overeenstemming zijn met de voorspellingen van deze studie, wat suggereert dat het leven in feite floreerde in de oude oceanen. Dit werk opent een nieuw onderzoeksgebied, die ELSI universitair hoofddocent Shawn McGlynn 'evolutionaire en isotopische enzymologie' noemt. Met behulp van dit soort gegevens, wetenschappers kunnen nu overgaan tot andere elementen, zoals koolstof en stikstof, en het geochemische record vollediger te koppelen aan cellulaire toestanden en ecologie via een begrip van de enzymevolutie en de geschiedenis van de aarde.