Найденные в древней породе кристаллы позволили напрямую датировать следы ранней жизни на Земле

Учёные впервые смогли напрямую определить возраст свидетельств существования древней микробной жизни, сохранившихся в породе возрастом около 3,5 миллиарда лет. Исследователи обнаружили в Индии углеродистый материал, который, по совокупности признаков, представляет собой остатки древнего микробного сообщества, а найденные в той же породе кристаллы циркона позволили установить возраст отложений с высокой точностью.

Работу возглавила геолог Трисрота Чаудхури из Геологической службы Индии. Образцы были найдены в районе Бхитардар в составе Сингхбхумского кратона — одного из древнейших сохранившихся участков континентальной земной коры.

Следы самых ранних организмов на Земле чрезвычайно трудно изучать. За миллиарды лет геологические процессы, высокие температуры, давление и выветривание изменяют или уничтожают древние биологические материалы. В некоторых редких породах, однако, могут сохраняться следы микробных сообществ в виде тонких углеродистых слоёв.

Ранее возраст подобных свидетельств жизни оценивали в основном по возрасту окружающих пород. Некоторые предполагаемые следы древней жизни датируют 3,7–3,8 миллиарда лет назад. В новом исследовании учёным удалось связать биологические признаки и радиометрический возраст непосредственно в одном и том же геологическом отложении.

Исследователи обнаружили углеродистый слой внутри полосчатого кремнистого образования. Сначала необходимо было установить, действительно ли этот углерод является частью исходной породы, а не попал в неё значительно позже в результате геологических процессов. Кроме того, учёным предстояло выяснить, мог ли он иметь биологическое происхождение и соответствует ли его структура остаткам микробного мата.

Для изучения материала исследователи использовали рамановскую спектроскопию. Этот метод позволил определить структуру углерода и восстановить историю его изменения. Расчёты показали, что максимальная температура, которой подвергался углерод за время своего существования, составляла от 324 до 369 градусов Цельсия.

Несмотря на столь высокие температуры, они находятся в диапазоне, при котором некоторые биологические признаки могут сохраняться. При этом углерод, заключённый в более поздних кварцевых жилах, подвергался значительно более сильному нагреву. Относительно низкая температура изменения тонких углеродистых слоёв указывает на то, что они были частью исходной породы, а не появились позже вместе с горячими геологическими флюидами.

Затем учёные изучили изотопный состав углерода. Микроорганизмы в процессе обмена веществ преимущественно используют более лёгкий изотоп углерода — углерод-12, поэтому образующееся органическое вещество оказывается обеднено углеродом-13.

Исследованный материал действительно показал сильное обеднение углеродом-13. Его изотопная сигнатура соответствует той, которая характерна для древнего углерода биологического происхождения, что стало ещё одним аргументом в пользу существования древних живых организмов.

Структура материала также поддерживает эту интерпретацию. Углерод образовывал чрезвычайно тонкие повторяющиеся слои, чередующиеся с материалом, богатым кремнезёмом. Такая слоистая структура согласуется с остатками микробного мата — сообщества микроорганизмов, существовавших в виде тонкой биоплёнки.

Ни один из этих признаков по отдельности не позволял однозначно признать материал биологическим. Однако рамановский анализ, изотопный состав углерода и характерная слоистая структура вместе дали исследователям веские основания считать обнаруженный материал остатками древнего микробного сообщества.

Ключевым этапом стало определение возраста самих отложений. Среди углеродистых слоёв учёные обнаружили микроскопические кристаллы циркона — минерала, который позволяет с высокой точностью определять возраст пород методом уран-свинцового датирования.

При образовании циркон включает в свою кристаллическую структуру уран, но практически не захватывает свинец. Со временем радиоактивный уран распадается и превращается в свинец с известной скоростью. Сравнив количество урана и свинца в кристалле, можно определить время его образования.

Исследователи изучили восемь кристаллов циркона из углеродсодержащей породы. Четыре из них оказались изменены в ходе последующих геологических процессов, однако остальные четыре дали близкие друг к другу значения возраста — около 3,5 миллиарда лет.

Одного присутствия древних кристаллов в породе было недостаточно для датировки микробных следов. Цирконы могли образоваться намного раньше, разрушиться вместе с другой породой и затем попасть в более молодые отложения.

Однако форма и другие особенности найденных кристаллов показали, что они, вероятно, представляли собой свежий вулканический материал, который оказался в кремнистой породе в момент её формирования. В отличие от цирконов, перенесённых в результате эрозии, которые обычно имеют округлённую форму из-за механического истирания, образцы из Бхитардара оказались маленькими, вытянутыми и игольчатыми.

Это позволило связать возраст цирконов непосредственно с формированием породы, содержащей предполагаемые остатки микробного сообщества. Возраст отложений составил 3,497 миллиарда лет с погрешностью около 5 миллионов лет.

Новая находка не является самым древним предполагаемым свидетельством жизни на Земле. Учёные сообщали о возможных следах жизни, которые на несколько сотен миллионов лет старше. Однако особенность нового исследования заключается в том, что возраст биологического материала удалось определить напрямую благодаря своеобразным «радиометрическим часам», находившимся в том же геологическом отложении.

Полученные данные помогают точнее установить, когда жизнь уже существовала на молодой Земле. Около 3,5 миллиарда лет назад условия на планете сильно отличались от современных: содержание кислорода в атмосфере было крайне низким, а значительную роль играли активный вулканизм и гидротермальные процессы. Микроорганизмы, оставившие эти следы, существовали в среде, богатой железом и кремнезёмом, рядом с активными вулканическими процессами.

Исследование показывает, что уже 3,5 миллиарда лет назад примитивные микробные экосистемы не просто сохранялись в относительно спокойной среде, а существовали и адаптировались к динамичным и химически экстремальным условиям ранней Земли.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.