Stromatolity z formacji Strelley Pool w Australii.

Stromatolity z formacji Strelley Pool w Australii – jedne z najstarszych znalezionych skamieniałości. Liczą sobie około 3,4 mld lat. Fot. Didier Descouens.

Jest niemal pewne, że życie pojawiło się na Ziemi stosunkowo szybko, prawdopodobnie w ciągu pierwszych 700 mln lat jej historii. Tylko czy uda się odnaleźć ślady najstarszych organizmów zasiedlających naszą planetę?

Obecnie paleontolodzy przypuszczają, że życie powstało pomiędzy 4,4 a 4,2 mld lat temu (Hedges, 2009). Wkrótce potem osiągnęło formę organizmów prokariotycznych. Od tych pierwszych, najbardziej prymitywnych form pochodzi całe bogactwo życia na Ziemi.

Informacje takie uzyskano dzięki tak zwanym zegarom molekularnym, które mogą być zawodne. Pewniejszym sposobem datowania momentu pojawienia się życia jest odnalezienie skamieniałości najstarszych organizmów.

Także ta metoda ma jednak swoje ograniczenia. Najpoważniejsze z nich stanowią luki w zapisie kopalnym, które powodują, że znalezienie szczątków pierwszych osobników jakiegokolwiek gatunku jest w praktyce niemożliwe. Mamy więc pewność, że datowania początków życia uzyskane dzięki najstarszym szczątkom organicznym są zaniżone. Prawda leży zapewne gdzieś pośrodku – pomiędzy datowaniami z zegarów molekularnych a znaleziskami paleontologów.

Najstarsze znaleziska paleontologiczne

Najstarsze pewne skamieniałości liczą sobie niecałe 3,5 mld lat i pochodzą z terenu dzisiejszej północno-zachodniej Australii, tak zwanego czertu Apex. Wokół tych znalezisk pojawiło się sporo kontrowersji. Jednak w ostatnich latach większość paleontologów akceptuje biologiczne pochodzenie struktur znalezionych w czertach Apex.

Grupa Warrawoona (tarcza Pilbara, Australia).

Odsłonięcia grupy Warrawoona na tarczy Pilbara w północno-zachodniej Australii. W skałach tej jednostki znaleziono najstarsze znane nam skamieniałości. Pochodzą one między innymi z formacji Dresser, Strelley Pool, a także czertów Apex.

Pomiędzy 3,5 mld lat (dane paleontologiczne) a 4,2 mld lat (dane z zegarów molekularnych) jest ponad 700 mln lat różnicy. Czy uda się znaleźć skamieniałości starsze od pochodzących z Apex?

Najprawdopodobniej nie. Skały liczące więcej niż 3,5 mld lat są niemal bez wyjątku zmetamorfizowane, co oznacza, że żadne szczątki organiczne nie mogły się w nich zachować. Skały, które nie uległy procesom metamorficznym (przeobrażeniu), to przede wszystkim granitoidy – w nich też nie znajdziemy skamieniałości.

Geochemia w służbie paleontologii

Nie oznacza to, że nigdy nie uda się nam znaleźć śladów życia starszych niż 3,5 mld lat. Raczej nie odszukamy skamieniałości – to prawie pewne. Ale być może uda się zidentyfikować ślady działalności najstarszych organizmów żywych. Co więcej, być może nawet już udało się to zrobić.

Od co najmniej 20 latu pod lupą geologów stale znajdują się skały z jednostki Isua w południowo-zachodniej części Grenlandii (okolice Nuuk). Są to jedne z najstarszych skał na Ziemi. Liczą sobie one, bagatela, około 3,8 mld lat. Mogą one wiele powiedzieć o warunkach panujących na naszej planecie krótko po jej powstaniu. Stąd zainteresowanie geologów.

Ale skały z Isua mogą powiedzieć znacznie więcej. Być może zapisane zostały w nich ślady działalności jednych z najstarszych organizmów żywych.

Wskazują na to dane uzyskane w wyniku analiz izotopowych. Jedną ze wskazówek mogących przemawiać za biogenicznym pochodzeniem niektórych skał z jednostki Isua jest obecność węglanów. Obecnie ich powstawanie ma związek z istnieniem życia w oceanach. Węglany z Isua powstały jednak w wyniku procesów metamorficznych, stąd też ich geneza wcale nie musiała mieć związku z działalnością organizmów. Nowe badania wskazują, że mimo wszystko przynajmniej niektóre z węglanów z Isua, konkretnie dolomitów, to skały osadowe, nie metamorficzne (Nutman et al., 2010). To z kolei może sugerować, że do ich powstania konieczna była obecność życia.

Są jeszcze poważniejsze argumenty przemawiające za istnieniem życia w momencie powstawania skał z Isua. Są one związane z obecnością w skałach utlenionego żelaza. Tworzy ono tak zwane wstęgowe rudy żelaza (BIF), powszechne w skałach archaiku, paleo- oraz neoproterozoiku.

BIF ze skał z Isua na Grenlandii.

Skały z Isua na Grenlandii. Jest to wstęgowa ruda żelaza typu BIF. W ciemnych warstewkach skumulowane jest utlenione żelazo, które może stanowić skutek działalności organizmów żywych. Fot. James St. John.

Obecność utlenionego żelaza może teoretycznie wskazywać na istnienie fotosyntetyzujących bakterii w momencie powstawania skał z Isua, a więc przed około 3,7-3,8 mld lat temu. Tak jak w przypadku dolomitu najbezpieczniejszym rozwiązaniem jest jednak uznanie utlenionego żelaza za efekt późniejszych procesów metamorficznych. W takim ujęciu BIF-y z Grenlandii nie byłyby najstarszym znanym nam śladem działalności organizmów żywych.

Nie jest to jednak ostatnie słowo, które w tej sprawie ma do powiedzenia nauka. Możliwe jest jeszcze badanie udziałów dwóch stabilnych izotopów żelaza o liczbach masowych 54 oraz 56, a także zróżnicowania tych udziałów w kolejnych warstewkach BIF-ów. Poszczególne izotopy tego samego pierwiastka różnią się nieco swoimi właściwościami chemicznymi, co decyduje o sposobie ich wchodzenia w reakcje. W konsekwencji możliwe jest odtworzenie reakcji, które doprowadziły do powstania skały o danym udziale izotopów 56Fe oraz 54Fe.

Badania składu izotopowego skał typu BIF z rejonu Isua wskazują, że mogły one powstać przy współudziale fotosyntetyzujących bakterii (Czaja et al., 2013). Oczywiście przy założeniu, że uzyskane przez naukowców dane izotopowe nie zostały zakłócone przez procesy metamorficzne, prowadzące do przeobrażenia skał.

Zmiany procentowej zawartości izotopów w kolejnych warstewkach skał zawierających utlenione żelazo sugerują jednak, że dane geochemiczne nie zostały zafałszowane przez procesy metamorfizmu (Czaja et al., 2013). A zatem liczące ponad 3,7 mld lat skały z jednostki Isua na Grenlandii mogą rzeczywiście stanowić najstarsze znane nam ślady życia. Nie ma w nich wprawdzie żadnych skamieniałości, ale dane geochemiczne wskazują na udział organizmów żywych w trakcie powstawania tych skał, jednych z najstarszych na całej planecie.

Warto przeczytać (w języku angielskim): Wprowadzenie do skał z jednostki Isua

Cytowane artykuły:

A. D. Czaja et al., 2013. Biological Fe oxidation controlled deposition of banded iron formation in the ca. 3770 Ma Isua Supracrustal Belt (West Greenland). Earth and Planetary Science Letters 363, 192–203.

S. B. Hedges, 2009. Life. W: The Timetree of Life. Praca zbiorowa pod red. S. B. Hedges i S. Kumar, str. 89-98.

A. P. Nutman et al., 2010. ≥3700Ma pre-metamorphic dolomite formed by microbial mediation in the Isua supracrustal belt (W. Greenland): Simple evidence for early life? Precambrian Research 183, 725–737.