دانشمندان شواهد ۳.۵ میلیارد ساله حیات را مستقیماً تاریخ‌گذاری کردند؛ بازنویسی جدول زمانی زیست‌شناسی زمین

تشکیل یک سنگ لایه‌ای در شرق هند به تازگی به عنوان قدیمی‌ترین شواهد تاریخ‌گذاری‌شده مستقیم حیات روی زمین تأیید شده است. دانشمندان با تجزیه و تحلیل یک سنگ چرت غنی از کربن از کراتون سینگ‌بوم (Singhbhum Craton)، بقایای یک جامعه میکروبی را که ۳.۴۹۷ میلیارد سال پیش شکوفا شده بود، مشخص کردند. این کشف یک نقطه اتکای نادر و بدون ابهام برای جدول زمانی زیست‌شناسی اولیه فراهم می‌کند و نشان می‌دهد که حیات کمتر از یک میلیارد سال پس از شکل‌گیری سیاره، از فرآیندهای متابولیکی پیچیده استفاده می‌کرده است. این تحقیق که در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) منتشر شده است، بر روی سنگی «نواری سیاه و سفید» متمرکز است که در نزدیکی روستای بهیتارداری (Bhitardari) در ایالت جارکند (Jharkhand) یافت شده است. این سنگ دارای لایه‌های میکروسکوپی متناوب از سیلیس کم‌رنگ و مواد کربنی تیره است. این نوارهای زیرمیلی‌متری، بقایای فسیل‌شده یک حصیر میکروبی کف‌زی هستند؛ کلونی فرش‌مانندی از ارگانیسم‌های تک‌سلولی که در یک محیط دریایی کم‌عمق و فعال آتشفشانی رشد کرده بودند.[1][2][4]

آنچه این یافته را از ادعاهای قبلی حیات باستانی متمایز می‌کند، مکانیسم تاریخ‌گذاری آن است که یک مشکل دیرینه در دیرینه‌زیست‌شناسی را حل می‌کند. به طور معمول، محققان باید سن مواد آلی باستانی را به طور غیرمستقیم تخمین بزنند. از آنجا که خود کربن آلی را نمی‌توان در مقیاس‌های میلیارد ساله به روش رادیومتریک تاریخ‌گذاری کرد، زمین‌شناسان معمولاً لایه‌های زمین‌شناسی اطراف را که فسیل را قطع می‌کنند یا در بالا و پایین آن قرار دارند، تاریخ‌گذاری می‌کنند. این حدس و گمان‌های چینه‌شناسی اغلب زمین‌شناسی زمین اولیه را دچار مشکل می‌کند و جای شک و تردید باقی می‌گذارد که آیا مواد زیستی واقعاً به اندازه سنگ‌های دربرگیرنده خود قدیمی هستند، یا بعداً از طریق مهاجرت سیالات وارد شده‌اند. با این حال، در سنگ چرت بهیتارداری، ساعت رادیومتریک مستقیماً در داخل خود سنگ حاوی فسیل جاسازی شده بود و نیاز به استنتاج سن از زمینه زمین‌شناسی خارجی را از بین می‌برد.[1][3]

برای کشف سن دقیق حصیر میکروبی، محققان به سراغ بلورهای میکروسکوپی زیرکن (Zircon) رفتند که در ماتریس چرت به دام افتاده بودند. این مواد معدنی ریز که تنها ۴۰ تا ۶۰ میکرومتر عرض دارند، به عنوان کپسول‌های زمانی زمین‌شناسی تقریباً تخریب‌ناپذیر عمل می‌کنند. هنگامی که زیرکن از ماگما متبلور می‌شود، ساختار مولکولی آن به راحتی اورانیوم را در خود جای می‌دهد اما سرب را به شدت رد می‌کند. در طول میلیاردها سال، آن اورانیوم به دام افتاده با نرخ رادیومتریک کاملاً شناخته شده و ثابت، به سرب تجزیه می‌شود. تیم تحقیقاتی با استفاده از طیف‌سنج جرمی برای اندازه‌گیری نسبت دقیق ایزوتوپ‌های اورانیوم به سرب در داخل بلورها، تعیین کرد که زیرکن‌ها دقیقاً ۳.۴۹۷ میلیارد سال پیش تشکیل شده‌اند، با حاشیه خطای بسیار محدود تنها ۵ میلیون سال.[1][2][3]

یافتن زیرکن‌های قدیمی در یک سنگ به طور خودکار به این معنی نیست که خود سنگ به همان اندازه قدیمی است؛ بلورها می‌توانستند از یک توده خشکی بسیار قدیمی‌تر فرسایش یافته و به داخل رسوبات جوان‌تر شسته شده باشند. با این حال، ویژگی‌های فیزیکی زیرکن‌های بهیتارداری ثابت می‌کند که آنها همزمان با کربن میکروبی هستند. این بلورها کشیده و سوزنی‌شکل هستند، که نشان می‌دهد هرگز در معرض سایش فرسایشی قرار نگرفته‌اند که لبه‌های آنها را در طول انتقال رودخانه‌ای گرد کند. در عوض، منشأ آن‌ها توف‌مانند (tuffaceous) است. این بدان معناست که آنها به صورت خاکستر آتشفشانی تازه تشکیل شده‌اند که از یک آتشفشان نزدیک فوران کرده، از ستون آب به پایین باریده و مستقیماً روی حصیر میکروبی لزج، درست زمانی که سیلیس در اطراف آن سخت می‌شد، ته‌نشین شده‌اند.[1][3][4]

تعیین سن دقیق سنگ تنها نیمی از چالش بود؛ اثبات اینکه کربن موجود در آن واقعاً زیستی است، نیمه دیگر بود. در طول ۳.۵ میلیارد سال، گرمای شدید، فشار خردکننده و فعالیت‌های تکتونیکی، بقایای سلولی شکننده را به کروژن (kerogen)، یک پلیمر آلی تجزیه شده و نامحلول، تبدیل می‌کنند. از آنجا که پوسته زمین بسیار پویا است، واکنش‌های زمین‌گرمایی غیرزیستی در کف دریا گاهی اوقات می‌توانند ترکیبات کربنی را سنتز کنند که ظاهر حیات باستانی را تقلید می‌کنند. برای رد این احتمال که کربن بهیتارداری توسط فرآیندهای گرمابی غیرزیستی ته‌نشین شده باشد، تیم مجبور بود از ساختار فیزیکی نوارها فراتر رفته و امضای ایزوتوپی بنیادی مواد را تجزیه و تحلیل کند.[1][5]

اثبات قطعی حیات در نسبت ایزوتوپ‌های کربن نهفته است. موجودات زنده هنگام تثبیت دی‌اکسید کربن برای رشد سلولی، ایزوتوپ کربن-۱۲ سبک‌تر را به ایزوتوپ کربن-۱۳ سنگین‌تر ترجیحاً مصرف می‌کنند و یک عدم تعادل شیمیایی متمایز از خود به جای می‌گذارند. هنگامی که محققان کروژن بهیتارداری را تجزیه و تحلیل کردند، یک تغییر ایزوتوپی برجسته یافتند – به طور خاص، مقدار δ13C کلی برابر با ۳۰.۹- در هزار. این اثر انگشت شیمیایی خاص، بسیار مشخصه فرآیندهای متابولیکی زیستی است. این یافته به شدت نشان می‌دهد که این میکروب‌های اولیه صرفاً وجود نداشته‌اند، بلکه فعالانه از مسیرهای پیچیده تثبیت کربن، شبیه به چرخه کالوین که توسط ارگانیسم‌های فتوسنتزکننده مدرن استفاده می‌شود، برای ساخت ساختارهای سلولی خود استفاده می‌کردند.[1][2][4]

در حالی که شواهد برای منشأ زیستی قوی است، داده‌ها محدودیت‌های سختگیرانه‌ای دارند و محققان در مورد آنچه ناشناخته باقی مانده است، شفاف هستند. تیم تلاش کرد تا ایزوتوپ‌های نیتروژن را در داخل سنگ اندازه‌گیری کند تا جزئیات خاص‌تری در مورد مسیرهای متابولیکی میکروب‌ها و نحوه پردازش مواد مغذی در محیط خود به دست آورد. با این حال، غلظت‌های نیتروژن به دلیل میلیاردها سال فشار زمین‌شناسی بیش از حد تجزیه شده بودند تا نتایج قابل اعتمادی به دست آید. در نتیجه، ماهیت دقیق متابولیسم آنها – مانند اینکه آیا آنها فتوسنتزکننده‌های اولیه بودند که نور خورشید را در آب‌های کم‌عمق جذب می‌کردند، یا صرفاً ارگانیسم‌های شیمیوسنتزی بودند که از مواد معدنی دریچه‌های آتشفشانی نزدیک تغذیه می‌کردند – تا حدی مبهم باقی می‌ماند.[1][5]

این تاریخ‌گذاری مستقیم، ابهام مداوم در جستجوی قدیمی‌ترین زیست‌کره زمین را برطرف می‌کند. در حالی که زیست‌نشانه‌های بالقوه قدیمی‌تر وجود دارند – مانند ساختارهای ۳.۷ میلیارد ساله در گرینلند یا سازند ۳.۴۸ میلیارد ساله درسِر (Dresser Formation) در استرالیای غربی – بسیاری از آنها به شدت مورد بحث هستند. منتقدان اغلب استدلال می‌کنند که سن آنها به طور بسیار سستی استنتاج شده است، یا اینکه ساختارهای آنها می‌توانستند توسط ته‌نشینی مواد معدنی غیرزیستی تشکیل شده باشند. سنگ چرت کراتون سینگ‌بوم با جفت کردن یک امضای ایزوتوپی زیستی محکم با یک ساعت رادیومتریک داخلی، از این موانع عبور می‌کند. این کشف تأیید می‌کند که حیات اولیه قبلاً اکوسیستم‌های پیچیده و شکوفایی را در محیط‌های شدید و فعال آتشفشانی ایجاد کرده بود، که نشان می‌دهد منشأ مطلق حیات باید حتی بیشتر به دوران نوزادی هادئن سیاره بازگردد.[2][3][5][6][7]