Tre miliardi e mezzo di anni fa, La Terra ha ospitato la vita, ma sopravviveva a malapena, o fiorente? Un nuovo studio condotto da un team multi-istituzionale con una leadership che include l'Earth-Life Science Institute (ELSI) del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) fornisce nuove risposte a questa domanda. Il metabolismo microbico è registrato in miliardi di anni di rapporti isotopici di zolfo che concordano con le previsioni di questo studio, suggerendo che la vita fioriva negli antichi oceani. Utilizzando questi dati, gli scienziati possono collegare più profondamente la documentazione geochimica con gli stati cellulari e l'ecologia.

Gli scienziati vogliono sapere da quanto tempo esiste la vita sulla Terra. Se esiste da quasi quanto il pianeta, questo suggerisce che è facile che la vita abbia origine e dovrebbe quindi essere comune nell'universo. Se impiega molto tempo per l'origine, questo suggerisce che dovevano verificarsi condizioni molto speciali. Dinosauri, le cui ossa sono presentate nei musei di tutto il mondo, sono stati preceduti da miliardi di anni dai microbi. Mentre i microbi hanno lasciato alcune prove fisiche della loro presenza nell'antica documentazione geologica, non si fossilizzano bene, quindi gli scienziati usano altri metodi per capire se la vita era presente nella documentazione geologica.

Attualmente, la più antica testimonianza di vita microbica sulla Terra ci arriva sotto forma di isotopi stabili. Gli elementi chimici riportati sulla tavola periodica sono definiti dal numero di protoni nei loro nuclei. Per esempio, gli atomi di idrogeno hanno un protone, gli atomi di elio ne hanno due, gli atomi di carbonio ne contengono sei. Oltre ai protoni, la maggior parte dei nuclei atomici contiene anche neutroni, che sono pesanti quanto i protoni, ma che non sopportano una carica elettrica. Atomi che contengono lo stesso numero di protoni, ma un numero variabile di neutroni, sono noti come isotopi. Mentre molti isotopi sono radioattivi e quindi decadono in altri elementi, alcuni non subiscono tali reazioni; questi sono conosciuti come isotopi "stabili". Per esempio, gli isotopi stabili del carbonio includono il carbonio 12 (scritto come 12C in breve, con 6 protoni e 6 neutroni) e carbonio 13 (13C, con 6 protoni e 7 neutroni).

Tutti gli organismi viventi, compresi gli umani, "mangiare ed espellere". Vale a dire, assorbono il cibo ed espellono i rifiuti. I microbi spesso mangiano composti semplici resi disponibili dall'ambiente. Per esempio, alcuni sono in grado di assorbire anidride carbonica (CO ₂ ) come fonte di carbonio per costruire le proprie celle. CO . naturale ₂ ha un rapporto abbastanza costante di 12C a 13C. Però, 12CO ₂ è circa il 2% più leggero della 13CO ₂ , quindi 12CO ₂ le molecole si diffondono e reagiscono leggermente più velocemente, e così i microbi stessi diventano "isotopicamente leggeri, " contenente più 12C che 13C, e quando muoiono e lasciano i loro resti nella documentazione fossile, la loro firma isotopica stabile rimane, ed è misurabile. La composizione isotopica, o "firma, "di tali processi possono essere molto specifici per i microbi che li producono.

Oltre al carbonio, ci sono altri elementi chimici essenziali per gli esseri viventi. Per esempio, zolfo, con 16 protoni, ha tre isotopi stabili naturalmente abbondanti, ³² S (con 16 neutroni), ³³ S (con 17 neutroni) e ³⁴ S (con 18 neutroni). I modelli di isotopi di zolfo lasciati dai microbi registrano quindi la storia del metabolismo biologico basato su composti contenenti zolfo fino a circa 3,5 miliardi di anni fa.

Centinaia di studi precedenti hanno esaminato ampie variazioni nei rapporti isotopici di zolfo antichi e contemporanei derivanti dal metabolismo del solfato (un composto di zolfo presente in natura legato a quattro atomi di ossigeno). Molti microbi sono in grado di utilizzare il solfato come combustibile, e nel processo espellono solfuro, un altro composto di zolfo (Figura 1). Il solfuro "rifiuto" dell'antico metabolismo microbico viene quindi archiviato nella documentazione geologica, e i suoi rapporti isotopici possono essere misurati analizzando minerali come la pirite minerale FeS2 mostrata nella Figura 2.

Questo nuovo studio rivela una fase primaria di controllo biologico nel metabolismo microbico dello zolfo, e chiarisce quali stati cellulari portano a quali tipi di frazionamento degli isotopi di zolfo. Ciò consente agli scienziati di collegare il metabolismo agli isotopi:sapendo come il metabolismo cambia i rapporti isotopici stabili, gli scienziati possono prevedere la firma isotopica che gli organismi dovrebbero lasciarsi alle spalle.

Questo studio fornisce alcune delle prime informazioni su come la vita antica si stava metabolizzando. Il metabolismo microbico del solfato è registrato in oltre 3 miliardi di anni di rapporti isotopici di zolfo che sono in linea con le previsioni di questo studio, il che suggerisce che la vita fosse in effetti fiorente negli antichi oceani. Questo lavoro apre un nuovo campo di ricerca, che il professore associato ELSI Shawn McGlynn chiama "enzimologia evolutiva e isotopica". Utilizzando questo tipo di dati, gli scienziati possono ora procedere ad altri elementi, come carbonio e azoto, e collegare più completamente la documentazione geochimica con gli stati cellulari e l'ecologia attraverso la comprensione dell'evoluzione degli enzimi e della storia della Terra.