Veel van het leven op planeet Aarde is tegenwoordig afhankelijk van zuurstof om te bestaan, maar voordat zuurstof aanwezig was op onze blauwe planeet, levensvormen gebruikten waarschijnlijk in plaats daarvan arseen. Deze bevindingen worden gedetailleerd beschreven in onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Communicatie Aarde en Milieu .

Een belangrijk onderdeel van de zuurstofcyclus is waar planten en sommige soorten bacteriën in wezen zonlicht opnemen, water, en co ₂ , en zet ze om in koolhydraten en zuurstof, die vervolgens worden gefietst en gebruikt door andere organismen die zuurstof inademen. Deze zuurstof dient als drager voor elektronen, het verkrijgen en doneren van elektronen terwijl het door de metabolische processen stroomt. Echter, de helft van de tijd dat er leven op aarde bestaat, er was geen zuurstof aanwezig, en gedurende de eerste 1,5 miljard jaar, we weten echt niet hoe deze systemen werkten, zegt hoofdauteur van de studie en UConn-hoogleraar Mariene Wetenschappen en Geowetenschappen Pieter Visscher.

Lichtgestuurd, fotosynthetische organismen verschijnen in het fossielenbestand als gelaagde carbonaatgesteenten, stromatolieten genaamd, daterend van ongeveer 3,7 miljard jaar geleden, zegt Visscher. Stromatolietmatten worden in de loop van de eeuwen afgezet door microbiële ecosystemen, waarbij elke laag aanwijzingen bevat over het leven op dat moment. Er zijn hedendaagse voorbeelden van microben die fotosynthetiseren in afwezigheid van zuurstof met behulp van een verscheidenheid aan elementen om het proces te voltooien, het is echter onduidelijk hoe dit gebeurde in de vroegste levensvormen.

Theorieën over hoe de processen van het leven functioneerden in de afwezigheid van zuurstof waren meestal gebaseerd op waterstof, zwavel, of ijzer als de elementen die elektronen rondvoeren om aan de metabolische behoeften van organismen te voldoen.

Zoals Visscher uitlegt, deze theorieën worden betwist; bijvoorbeeld, fotosynthese is mogelijk met ijzer, maar onderzoekers vinden daar geen bewijs van in het fossielenarchief voordat zuurstof zo'n 2,4 miljard jaar geleden verscheen. Waterstof wordt genoemd, maar de energie en de concurrentie om waterstof tussen verschillende microben laten zien dat het hoogst onhaalbaar is.

Arseen is een andere theoretische mogelijkheid, en het bewijs daarvoor werd gevonden in 2008. Visscher zegt dat de link met arseen in 2014 werd versterkt toen hij en collega's in een diepe tijd bewijs vonden van op arseen gebaseerde fotosynthese. Om hun theorie verder te ondersteunen, de onderzoekers moesten een moderne analoog vinden om de biogeochemie en elementcycli te bestuderen.

Het vinden van een analogie met de omstandigheden op de vroege aarde is om een ​​aantal redenen een uitdaging, naast het feit dat zuurstof nu in overvloed aanwezig is. Bijvoorbeeld, het bewijs toont aan dat vroege microben atmosferische koolstof vastlegden en organisch materiaal produceerden in een tijd dat vulkaanuitbarstingen frequent waren, UV-licht was intens in afwezigheid van de ozonlaag, en oceanen waren in wezen een giftige soep.

Een ander uitdagend aspect van het werken binnen het fossielenarchief, vooral die zo oud als sommige stromatolieten, is dat er nog maar weinig over zijn door de kringloop van rotsen terwijl continenten bewegen. Echter, een doorbraak vond plaats toen het team een ​​actieve microbiële mat ontdekte, momenteel aanwezig in de barre omstandigheden in Laguna La Brava in de Atacama-woestijn in Chili.

De matten zijn niet eerder bestudeerd, maar presenteren een buitenaardse reeks voorwaarden, zoals die van de vroege aarde. De matten bevinden zich in een unieke omgeving waardoor ze permanent zuurstofvrij zijn op grote hoogte waar ze worden blootgesteld aan wilde, dagelijkse temperatuurschommelingen, en hoge UV-omstandigheden. De matten dienen als krachtige en informatieve hulpmiddelen om het leven in de omstandigheden van de vroege aarde echt te begrijpen.

Visscher legt uit, "We begonnen te werken in Chili, waar ik een bloedrode rivier vond. De rode sedimenten worden gevormd door anoxogene fotosynthetische bacteriën. Het water is ook zeer hoog in arseen. Het water dat over de matten stroomt bevat waterstofsulfide dat van vulkanische oorsprong is en het stroomt zeer snel over deze matten. Er is absoluut geen zuurstof."

Het team toonde ook aan dat de matten carbonaatafzettingen veroorzaakten en een nieuwe generatie stromatolieten creëerden. De carbonaatmaterialen toonden ook bewijs voor arseencycli - dat arseen dient als een voertuig voor elektronen - wat bewijst dat de microben actief arseen metaboliseren, net als zuurstof in moderne systemen. Visscher zegt dat deze bevindingen, samen met het fossiele bewijs, geeft een sterk beeld van de vroege omstandigheden van de aarde.

"Het leven op basis van arseen is een kwestie van heeft het een biologische rol of is het gewoon een giftige stof?" zegt Visscher.

Die vraag lijkt beantwoord te zijn:"Ik werk al zo'n 35 jaar met microbiële matten. Dit is het enige systeem op aarde waar ik een microbiële mat kon vinden die absoluut werkte in afwezigheid van zuurstof."

Visscher wijst erop dat een belangrijk hulpmiddel dat ze hebben gebruikt om dit onderzoek uit te voeren, vergelijkbaar is met dat aan boord van de Mars Perseverance rover, momenteel op weg naar Mars.

"Bij het zoeken naar bewijs van leven op Mars, ze zullen naar ijzer kijken en waarschijnlijk ook naar arseen."