Впервые прямо датированы свидетельства существования жизни 3,5 млрд лет назад

Фото из открытых источников

В далеком прошлом Земли, почти 4 миллиарда лет назад, самые ранние формы жизни на нашей планете каким-то образом сформировались из первобытных химических процессов. От самых ранних организмов, населявших Землю, осталось очень мало. Время и геологические процессы изменили то, что осталось, почти до неузнаваемости.

Однако в некоторых редких древних каменных образованиях по всему миру можно обнаружить слои, которые, по мнению ученых, являются окаменелыми остатками микробных матов — слизистых биопленок, в которых одноклеточные организмы размещают свои колонии.

Возраст некоторых из этих следов жизни, судя по возрасту окружающего слоя горных пород, оценивается в 3,7 или 3,8 миллиарда лет.

Однако теперь группа ученых во главе с геологом Т. Чаудхури из Геологической службы Индии смогла напрямую датировать материал, содержащийся в том, что, согласно имеющимся данным, является остатками древнего микробного сообщества, которое жило и умерло 3,5 миллиарда лет назад. Результаты нового исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Обнаружение одновременно хорошо сохранившегося биологического материала и датируемых цирконов в одной и той же породе — крайне редкое явление в ранней истории Земли», — сказал Чаудхури. «Когда это возможно, возраст породы и свидетельства существования жизни могут быть напрямую связаны, что обеспечивает гораздо более надежные данные о древней жизни, полученные на основе анализа возраста и изотопов».

Время, погода и геологические условия не щадят некогда живые организмы, и чем дальше в прошлое вы заглядываете, тем скуднее становится летопись ископаемых. Редко можно найти окаменелые кости, возраст которых составляет всего несколько миллионов лет; более древние находки, относящиеся к беспозвоночным, еще более скудны.

Однако при определенных условиях следы мертвых микробов могут быть быстро погребены в кремнеземе, сохраняясь в виде тонких слоев углерода, способных выживать даже при преобразовании окружающей породы под воздействием тепла и давления.

Поэтому, когда Чаудхури с коллегами обнаружили углеродистый слой, зажатый между древним полосатым кремнем в пределах Сингхбхумского кратона, одного из старейших сохранившихся блоков континентальной коры Земли, у них появилось предчувствие.

«Сначала мы не ожидали найти свидетельства древней жизни, — рассказывает Чаудхури. — Мне было интересно узнать источник и геохимический путь, по которому этот углерод сохранился в этих породах».

Углерод такого древнего возраста мог иметь несколько возможных источников. Он мог образоваться в результате небиологических процессов, таких как вулканизм, или же представлять собой остатки чего-то, что когда-то было живым.

Чтобы показать, что углеродистый слой может быть остатками древних микробов, исследователям необходимо было установить три вещи: во-первых, что углерод был изначально присущ породе, а не попал в нее в результате более позднего геологического события; во-вторых, что он мог иметь биологическое происхождение; и в-третьих, что его структура соответствует микробному мату.

Сначала они использовали метод, называемый рамановской спектроскопией, — по сути, это использование лазера для освещения углерода с целью исследования его структуры, что, в свою очередь, позволяет выявить историю его образования и изменений.

Это помогло им определить, что максимальная температура, которую когда-либо испытывал углерод за время своего «жизненного цикла», составляла от 324 до 369 градусов Цельсия.

Это звучит впечатляюще, но температура находится в пределах диапазона, в котором могут сохраняться биологические следы. Между тем, углерод, заключенный в более поздних жилах кварца, был нагрет до гораздо более высоких температур. Относительно более низкие температуры тонкослоистого углерода предполагают, что он был частью первоначальной породы, а не был впрыснут в нее во время более позднего события, связанного с горячими флюидами.

Затем исследователи изучили изотопы углерода.

«В процессе метаболизма (биологического процесса, позволяющего улавливать углерод и вырабатывать энергию в качестве побочного продукта) микроорганизмы преимущественно используют более легкий изотоп 12C, в результате чего их органическое вещество обедняется изотопом 13C», — поясняет Чаудхури.

Действительно, исследованный материал оказался сильно обеднен углеродом-13, с изотопным составом, характерным для древнего биологического углерода, что указывает на то, что в нем, вероятно, существовала живая организм.

Наконец, углерод присутствовал в виде сверхтонких, повторяющихся слоев, чередующихся с богатым кремнеземом материалом, образуя слоистую структуру, соответствующую остаткам микробного мата.

Каждый из этих факторов сам по себе был бы недостаточен для того, чтобы идентифицировать материал как имеющий биологическое происхождение; однако, взятые вместе, они представляют собой убедительный аргумент.

«Нам пришлось использовать несколько независимых источников доказательств, чтобы установить биологическое происхождение углерода», — объясняет Чаудхури.

И вот, наконец, мы переходим к теме знакомств, и эта часть невероятно интересна.

Вкрапленные в слоистые углеродные слои и перемежающиеся с ними, исследователи обнаружили крошечные кристаллы циркона — минерала, позволяющего проводить невероятно точное датирование.

Это происходит потому, что при образовании циркона он поглощает уран, но сильно отталкивает свинец. Уран радиоактивно распадается на свинец с очень точными, известными скоростями. Поэтому большая часть свинца, накапливающегося внутри кристалла, образуется в результате распада урана.

Для датирования циркона используются два изотопа урана и их последующий распад на свинец. Ученые могут, изучив соотношение урана и свинца в образце циркона, сделать очень точную оценку времени образования этого кристалла циркона.

Исследователи проанализировали восемь кристаллов циркона в углеродсодержащей породе. Четыре из них были повреждены за свою долгую геологическую историю, но остальные четыре показали одинаковый возраст, сгруппированный вокруг 3,5 миллиардов лет.

Но простого обнаружения древних цирконов в углеродном слое было недостаточно. Сами кристаллы могли быть старше осадка, образовавшись в результате эрозии другой породы, прежде чем влиться в нее.

Вместо этого, ряд особенностей цирконов указывал на то, что они представляли собой свежий вулканический материал, отложившийся в процессе образования углеродсодержащего кремня. Это означает, что их возраст может точно определить возраст самого месторождения: 3,497 миллиарда лет, с погрешностью около 5 миллионов.

«Эрозия обломочных цирконов должна приводить к образованию множества более древних возрастных форм, существовавших ранее», — поясняет Чаудхури. «Обломочные цирконы, вследствие эрозионного истирания, имеют округлую форму».

Цирконы из Бхитардари, напротив, представляли собой крошечные, вытянутые, игольчатые кристаллы.

«Мы интерпретируем их как циркон, кристаллизовавшийся в результате вулканической активности и оказавшийся внутри кремня в процессе образования породы», — говорит Чаудхури.

Это не делает находки из Бхитардари самым древним из когда-либо обнаруженных свидетельств жизни. Ученые сообщали о возможных следах, возраст которых исчисляется сотнями миллионов лет.

Что делает это открытие таким захватывающим, так это прочная связь между биологическими данными и возрастом образца. Вместо того чтобы определять возраст по окружающим геологическим породам, исследователи буквально встроили радиометрические часы в тот же самый геологический слой.

«Это важно, потому что помогает нам определить, когда жизнь уже существовала на ранней Земле, давая нам более ясное представление о том, как скоро жизнь зародилась и как самые ранние условия окружающей среды на Земле могли ее поддерживать», — говорит Чаудхури.

Земля 3,5 миллиарда лет назад была совсем другим местом, нежели тот пышный, умеренный мир, в котором мы живем сегодня. Уровень кислорода был крайне низким, и преобладали горячие вулканические и гидротермальные процессы.

«Наиболее примечательно то, что наше исследование вновь подтверждает, что примитивная жизнь процветала в мире с экстремальным химическим составом 3,5 миллиарда лет назад. Эти микроорганизмы жили параллельно с активным вулканизмом, в океане, богатом железом и кремнием», — резюмирует Чаудхури. «Углеродистые кремниевые отложения Бхитардари вновь подтверждают, что жизнь не просто выживала на спокойной ранней Земле; микробные экосистемы уже на ранних этапах истории Земли занимали и адаптировались к динамичным вулканическим средам».