Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Университета Висконсин-Мэдисон подтвердили, что микроскопические окаменелости, обнаруженные в куске породы возрастом почти 3,5 миллиарда лет в Западной Австралии, являются самыми древними окаменелостями, когда-либо найденными, и действительно самыми ранними прямыми свидетельствами жизни. на Земле.
Исследование, опубликованное сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences, было проведено под руководством Дж. Уильяма Шопфа, профессора палеобиологии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, и Джона В. Вэлли, профессора наук о Земле в Университете Висконсин-Мэдисон.. Исследование основывалось на новых технологиях и научных знаниях, разработанных исследователями из лаборатории UW-Madison WiscSIMS.
В исследовании описываются 11 микробных образцов из пяти отдельных таксонов, связывая их морфологию с химическими сигнатурами, характерными для жизни. Некоторые представляют собой ныне вымершие бактерии и микробы из области жизни под названием археи, в то время как другие похожи на виды микробов, которые все еще встречаются сегодня. Полученные данные также позволяют предположить, как каждый из них мог выжить на планете, лишенной кислорода.
Микрофоссилии, названные так потому, что они не видны невооруженным глазом, были впервые описаны в журнале Science в 1993 году Шопфом и его командой, которые идентифицировали их, в основном, на основании уникальной цилиндрической и нитевидной формы окаменелостей.. Шопф, директор Центра изучения эволюции и происхождения жизни Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, в 2002 году опубликовал дополнительные подтверждающие доказательства их биологической идентичности.
Он собрал горную породу, в которой были найдены окаменелости, в 1982 году из кремнистых отложений Апекс в Западной Австралии, одного из немногих мест на планете, где сохранились геологические свидетельства ранней Земли, в основном потому, что они не были обнаружены. подвергся геологическим процессам, которые изменили бы его, таким как захоронение и сильный нагрев из-за тектонической активности плит.
Но более ранние интерпретации Шопфа были оспорены. Критики утверждали, что это всего лишь странные минералы, которые только выглядят как биологические образцы. Однако, по словам Вэлли, новые данные развеяли эти сомнения; микрофоссилии действительно биологические.
"Я думаю, все решено", - говорит он.
Используя масс-спектрометр вторичных ионов (SIMS) в UW-Madison под названием IMS 1280 - один из немногих таких инструментов в мире - Вэлли и его команда, включая геологов отдела Коуки Китадзиму и Майкла Спикуццу, смогли разделить углерод, из которого состоит каждое ископаемое, на составляющие его изотопы и измерить их соотношение.
Изотопы - это разные версии одного и того же химического элемента, различающиеся по массе. Различные органические вещества, будь то горные породы, микробы или животные, содержат характерные соотношения их стабильных изотопов углерода.
Используя SIMS, команда Valley смогла отделить углерод-12 от углерода-13 в каждой окаменелости и измерить их соотношение по сравнению с известным стандартом изотопов углерода и участком породы без окаменелостей. в котором они были найдены.
«Различия в соотношении изотопов углерода коррелируют с их формой», - говорит Вэлли. «Если они не биологические, то нет причин для такой корреляции. Их соотношение C-13 и C-12 характерно для биологии и метаболической функции».
Основываясь на этой информации, исследователи также смогли определить личность и вероятное физиологическое поведение окаменелостей, запертых внутри скалы, говорит Вэлли. Результаты показывают, что «это примитивная, но разнообразная группа организмов», - говорит Шопф.
Команда идентифицировала сложную группу микробов: фототрофные бактерии, которые полагались бы на солнце для производства энергии, археи, которые производили метан, и гаммапротеобактерии, которые потребляли метан, газ, который, как полагают, был важным компонентом ранней атмосферы Земли. до появления кислорода.
Команде Valley потребовалось почти 10 лет, чтобы разработать процессы для точного анализа микроокаменелостей - таких старых и редких окаменелостей, которые никогда раньше не подвергались анализу SIMS. Исследование основано на более ранних достижениях WiscSIMS для модификации инструмента SIMS, разработки протоколов подготовки и анализа проб и калибровки необходимых стандартов для максимально точного соответствия содержания углеводородов интересующим пробам.
Во время подготовки к SIMS-анализу команде нужно было тщательно измельчить исходный образец как можно медленнее, чтобы обнажить хрупкие окаменелости - все они подвешены на разных уровнях в скале и заключены в твердый слой кварца - без фактически уничтожая их. Спикуцца описывает бесчисленное количество поездок вверх и вниз по лестнице в отделе, пока техник-геолог Брайан Хесс шлифовал и полировал каждую микрофоссилию в образце, по одному микрометру за раз..
Каждая микрофоссилия имеет ширину около 10 микрометров; восемь из них могут поместиться по ширине человеческого волоса.
Вэлли и Шопф являются частью Висконсинского консорциума астробиологических исследований, финансируемого Институтом астробиологии НАСА, который существует для изучения и понимания происхождения, будущего и природы жизни на Земле и во всей Вселенной.
Исследования, подобные этому, говорит Шопф, указывают на то, что жизнь может быть распространена во всей Вселенной. Но важно то, что здесь, на Земле, поскольку было показано, что несколько различных типов микробов уже существовали 3,5 миллиарда лет назад, это говорит нам о том, что «жизнь должна была начаться значительно раньше - никто не знает, насколько раньше - и подтверждает это несложно». для формирования примитивной жизни и ее эволюции в более продвинутые микроорганизмы», - говорит Шопф.
Ранее проведенные Вэлли и его группой исследования, проведенные в 2001 году, показали, что океаны с жидкой водой существовали на Земле уже 4,3 миллиарда лет назад, то есть более чем за 800 миллионов лет до того, как окаменелости, представленные в настоящем исследовании, были бы живыми., и всего через 250 миллионов лет после образования Земли.
«У нас нет прямых доказательств того, что жизнь существовала 4,3 миллиарда лет назад, но нет причин, по которым этого не могло быть», - говорит Вэлли. «Это то, что мы все хотели бы узнать».
UW-Madison имеет наследство отодвигать общепринятые даты ранней жизни на Земле. В 1953 году покойный Стэнли Тайлер, университетский геолог, скончавшийся в 1963 году в возрасте 57 лет, был первым, кто обнаружил микрофоссилии в докембрийских породах. Это отодвинуло зарождение жизни более чем на миллиард лет назад, с 540 миллионов до 1,8 миллиардов лет назад.
«Людей действительно интересует, когда впервые появилась жизнь на Земле», - говорит Вэлли. «Это исследование было в 10 раз более трудоемким и длительным, чем я себе представлял, но оно увенчалось успехом благодаря большому количеству преданных делу людей, которые были в восторге от этого с самого первого дня… Я думаю, что на образцах будет проведено гораздо больше анализов микрофоссилий. Земли и, возможно, с других планетарных тел."
Исследование проводилось при поддержке Института астробиологии НАСА при Университете Висконсин-Мэдисон и Центра изучения эволюции и происхождения жизни Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. WiscSIMS поддерживается Национальным научным фондом (EAR-1355590) и UW-Madison.
В отрывке из книги Дж. Уильяма Шопфа, опубликованной в 1999 г., «Колыбель жизни», он описывает микрофоссилии, обнаруженные им в 1982 г., следующим образом:
"Окаменелости Apex обрывочны. Трудно найти. Трудно изучать. Они в изобилии, но обугленные, измельченные, чрезмерно приготовленные. Крошечные кусочки обычны, но в целом невзрачны; короткие двух- или трехклеточные фрагменты редки, и их легко не заметить, многоклеточные экземпляры очень редки, а окаменелости, которые можно было бы назвать «хорошо сохранившимися» (например, месторождения Ганфлинт и Биттер-Спрингс), не существуют. не заслуживает особого внимания."