Zijn kleine, 3,77 miljard jaar oude buisjes de oudste fossielen op aarde?

Beweringen dat er ergens oude fossielen gevonden zijn, zijn altijd erg controversieel. Rotsen die zo oud zijn als degene die nu in de studie onderzocht zijn, overleven slechts zelden de verwering, erosie, subductie - het naar beneden gezogen worden in de aardkorst - en vervorming door onze geologisch actieve aarde. En elk mogelijk overblijfsel van leven in de rotsen die dat wel overleven, is moeilijk te onderscheiden, en al helemaal niet te bewijzen.

Sommige geologen die niet bij de studie betrokken waren, zijn dan ook sceptisch dat de gevonden structuren wel degelijk fossielen zijn, en ze betwijfelen ook dat de rotsen waarin ze zitten, zo oud zijn als de auteurs van de studie zeggen.

Maar het internationale team van onderzoekers dat de nieuwe ontdekking gedaan heeft, denkt dat hun analyse wel degelijk een kritische benadering kan weerstaan. Bovenop de structuren die er uitzien als fossiele microben, bevat de rots ook een cocktail van chemische verbindingen waarvan ze zeggen dat die bijna zeker het resultaat zijn van biologische processen.

Als de bevindingen van het team bevestigd worden, zullen ze de overtuiging versterken dat levende organismen zeer vroeg in de geschiedenis van de aarde ontstaan zijn,  en dat het leven mogelijk net zo makkelijk op andere werelden kan ontstaan zijn. 

"Het proces om het leven snel op gang te brengen, heeft mogelijk geen lange tijd of speciale chemie nodig, maar het zou in werkelijkheid een relatief simpel proces kunnen zijn om het op gang te krijgen", zei Matthew Dodd, een biogeochemicus aan het University College London en de belangrijkste auteur van de studie. "Dat heeft grote implicaties voor de vraag of het leven overvloedig voorkomt in het universum of niet", zo zei hij in The Washington Post.

Een filament, een fijne vezel, dat vastzit aan een klompje ijzer in de rechterhoek beneden. (foto: Matthew Dodd via AP)

De microfossielen werden ontdekt in rots uit de Nuvvuagittuq-gordel in het noordoosten van Canada, in de provincie Quebec. Deze strook van onder meer jaspis - ijzerkiezel, een soort kwarts - is rijk aan ijzer en doorsnijdt nu de oostelijke kust van de Hudson-baai, maar was ooit een hydrothermale bron op de bodem van de oceaan. Miljarden jaren geleden floreerden oude microben rond die hete bronnen, waarbij ze de chaotisch chemie van de bronnen gebruikten om hun eigen "brandstof" voort te brengen.

Toen de microben stierven, werd het ijzer in het water afgezet op hun ontbindende lichamen, waarbij hun cellulaire structuren vervangen werden door steen. De rotsen waarin ze zaten, werden begraven, opgewarmd, geplet en vervolgens omhoog gedwongen om het deel van Noord-Amerika te vormen waar ze nu zitten. Afhankelijk van de dateringsmethode die gebruikt wordt, kan het materiaal 3,77 miljard jaar oud zijn, of zelfs een verbijsterende 4,28 miljard jaar.

Toen Dominique Papineau, een collega van Dodd, in 2008 de Nuvvuagittuq-gordel bezocht, wist hij onmiddellijk dat hij een aantal exemplaren van de rots mee zou moeten nemen naar zijn laboratorium. Eenmaal terug in Londen tuurden hij en Dodd naar heel dunne schijfjes van de rots, eerst met een optische microscoop, daarna met een Rama-microscoop die werkt met lasers.

De optische observaties toonden complexe fossiele structuren die ingebed waren in hematiet, een mineraal dat zich gevormd zou hebben toen het ijzer in het zeewater reageerde met het ontbindende organische materiaal van de microben. John Slack, een mede-auteur van de studie en een emeritus wetenschapper bij de US Geological Survey die jaspis van oude hydrothermale bronnen bestudeert, zei dat de fossielen er net zo uitzien als de exemplaren die hij ziet in jongere rotsen, en rond hedendaagse bronnen.

De Raman-analyse, die de vibraties van de atomen meet als ze geraakt worden door de laser om vast te stellen welke moleculen het materiaal bevat, toonde aan dat de rotsen carbonaat, apatiet en magnetiet bevatten, mineralen die vaak gevormd worden als er organisch materiaal aanwezig is.

Het grafiet in de rotsen bevatte ook duidelijke aanwijzingen van leven. Het mineraal telde buitensporig veel koolstof 12 isotopen, een vorm van het atoom die 6 protonen bevat en 6 neutronen. Bij biologische processen geniet die vorm van koolstof de voorkeur, en koolstof 12 wordt beschouwd als een "isotopische handtekening" van leven. 

"We kunnen alternatieve verklaringen bedenken voor elk van deze observaties op zich", zei Dodd aan The Washington Post, "maar dat al deze kenmerken tezamen voorkomen, kan echt maar door een ding verklaard worden, en dat is een biologische interpretatie."

Een dagzomende - aan de oppervlakte gekomen - aardlaag van metamorf gesteente uit de Nuvvuagittuq-gordel in Porpoise Cove.

Niet iedereen is echter overtuigd door de nieuwe studie. Tanja Bosak, een geobioloog aan het Massachusetts Institute of Technology, zei dat de auteurs van de studie niet beschikken over een aantal van de belangrijkste bewijzen voor hun beweringen.

Een eerste opmerking die ze heeft, is dat de auteurs geen foto's van de site waar ze de fossielen gevonden hebben, in hun studie hebben opgenomen, of een gedetailleerde verklaring van de geologische omgeving waar ze vandaan komen. "Dit is het allereerste ding dat we onze studenten vertellen, kijk naar de context en geef de context mee, en interpreteer de context heel voorzichtig", zo zei ze aan The Washington Post. "Want als de context niet goed zit, dan heeft al de rest wat je doet geen belang."

Andere onderzoekers zeggen dat deze studie valt onder de categorie van "buitengewone beweringen", die "buitengewone bewijzen vereisen". Nicola McLoughlin van de Rhodes University in Zuid-Afrika zei aan de BBC dat het wetenschappelijk onderzoek in de studie wel grondig is, maar niet voldoende om te bewijzen dat de structuren een biologische oorsprong hebben. Volgens haar zijn de filamenten en de buisjes in de rotsen ook veel eenvoudiger dan de microbiologische structuren die men aantreft rond hedendaagse hydrothermale bronnen. "De morfologie van deze vermeende ijzer-oxiderende filamenten uit het noorden van Canada is niet overtuigend", zo zei ze.

Geobiologe Tanja Boesak is ook sceptisch over de opgegeven minimale ouderdom voor de fossielen. De Nuvvuagittuq-gordel bestaat uit metamorfe rots, steen die opgewarmd is, ineen gedrukt en vervormd door processen diep in de aarde. De gordel wordt ook doorsneden door aders van magmatische of vulkanische rots die tijdens dit proces in de sedimenten is binnengedrongen, wat men een intrusiegesteente noemt.

Dodd en zijn collega's hebben hun schattingen van de jongste ouderdom verkrijgen door zirkoonkristallen uit de vulkanische rotsen te dateren, waarbij de logica daarachter is dat die intrusies gevormd moeten zijn geworden nadat de fossielen dat deden. Hun oudste schatting, 4,28 miljard jaar, komt van een meer omstreden dateringsmethode die het verval van het element samarium in neodymium meet. Bosak zei dat de metamorfe processen die de rotsen ondergaan hebben, betekenen dat de aders waaruit de fossielen komen, veel jonger kunnen zijn. 

Zirkonen zijn het oudste mineraal op aarde.

Bevindingen als die in de studie, worden aan een nauwgezet onderzoek onderworpen omdat ze potentieel verreikende implicaties hebben voor de studie van de vroegste organismen op de aarde en mogelijk op andere planeten. Het oudste algemeen aanvaarde bewijs voor leven op aarde dateert van 3,4 tot 3,5 miljard jaar geleden. De nieuwe studie duwt die datum terug met bijna 300 miljoen jaar.

"Dat is een lange tijd", zei Bosak. "Ga maar na, in de meest recente 300 miljoen jaar van de geschiedenis heeft de aarde drie massale uitstervingsgolven gekend, een herschikking van de continenten, de opkomst en de ondergang van de dinosaurussen, en de evolutie van de mens."

Een vroegere start voor de geschiedenis van het leven op aarde betekent ook dat de organismen zich ontwikkeld moeten hebben in een tijd waarin de aarde een behoorlijk vijandige omgeving was. Tussen 4 en 3,8 miljard jaar geleden onderging de aarde wat het "Late Heavy Bombardment", (LHB, het late hevige bombardement) genoemd wordt, een tijd waarin asteroïden en kometen door het zonnestelsel vlogen en alle hemellichamen door een spervuur van inslagen getroffen werden. Als microben in een dergelijke chaotische tijd konden floreren, zou dat betekenen dat het leven zelfs onder de slechtste omstandigheden kan ontstaan.

De nieuwe studie komt slechts zes maanden nadat onderzoekers gemeld hadden dat ze in Groenland oude stromatolieten gevonden hadden in 3,7 miljard jaar oude rotsen. Stromatolieten worden meestal gevormd door fotosynthetische bacteriën in ondiepe zeeën. Als de beide studies bevestigd worden, zou dat betekenen dat het leven niet alleen vroeg in de geschiedenis van de aarde ontstaan is, maar bovendien ook divers genoeg was om zowel chemosynthetische en fotosynthetische bacteriën te omvatten, zo zei mede-auteur John Slack.

Als organismen het zo makkelijk vonden om te floreren hier op aarde, waarom dan ook niet elders? Zou het kunnen dat leven, in de woorden van Nobelprijwinnaar Christian de Duve, een "kosmologische verplichting" is? Dat is wat Matthew Dodd graag zou weten. Hij merkt op dat recent onderzoek laat uitschijnen dat Mars 3,77 miljard jaar geleden warm was en oceanen had. "Dat betekent dat we zouden kunnen verwachten om aanwijzingen voor leven te vinden op Mars van rond deze tijd", zo zei hij. "En als dat niet het geval is, dan laat dat veronderstellen dat het leven het gevolg is van een of andere meevaller of een of ander fenomeen op aarde."

De studie van Dodd en zijn team is verschenen in het wetenschappelijk tijdschrift "Nature"

Een veld van hydrothermale bronnen op de zeebodem.