Geowissenschaftler bringen Licht in die Evolution des Lebens vor 800 Millionen Jahren

Ist Nitrat für Algen, Blumen und sogar Ihre Nachbarn verantwortlich? Ein Team von Geowissenschaftlern der Virginia Tech hat Beweise ausgegraben, die auf Ja hindeuten könnten.

Die Ergebnisse des Teams, kürzlich veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte, zeigen eine Zunahme des biologisch verfügbaren Stickstoffs während der Zeit, in der marine Eukaryoten – Organismen, deren Zellen einen Zellkern haben – dominierten. Komplexe eukaryotische Zellen haben sich zu vielzelligen Organismen entwickelt und es wird ihnen zugeschrieben, dass sie eine völlig neue Ära für das Leben auf der Erde, einschließlich Tiere, Pflanzen und Pilze, eingeläutet haben.

„Wo wir heute sitzen, mit dem Leben, wie es auf dem Planeten ist, ist die Summe aller Ereignisse, die in der Vergangenheit passiert sind“, sagte Ben Gill, außerordentlicher Professor für Sedimentgeochemie und Mitautor des Papiers. „Und dies ist ein Schlüsselereignis, bei dem wir von dominant prokaryotischen Ökosystemen – Zellen, die viel einfacher sind als die in unserem Körper – zu Eukaryoten wechseln. Wenn das nicht passiert wäre, wären wir heute nicht hier.“

Frühere Forschungen konzentrierten sich auf die Rolle von Phosphor beim Aufstieg von Eukaryoten, aber Junyao Kang, ein Doktorand am Institut für Geowissenschaften und Hauptautor der Veröffentlichung, war neugierig auf die Rolle, die Stickstoff bei diesem Ereignis spielte.

„Diese Daten sind einzigartig, weil Stickstoffisotopendaten aus dem frühen Neoproterozoikum oder vor zwischen einer Milliarde und 800 Millionen Jahren praktisch nicht existieren“, sagte Kang.

In Zusammenarbeit mit der Nanjing University in Najing, China, hat Kang zwei Jahre lang daran gearbeitet, zu verstehen, was den Aufstieg der Eukaryoten durch Stickstoffisotopenanalyse von Gesteinsproben aus dem nordchinesischen Kraton vorangetrieben hat. Die Region beherbergte Felsen, die vor 3,8 Milliarden Jahren entstanden, und war einst von einem Ozean bedeckt.

„Wir hatten einige ungefähre Vorstellungen davon, wann Eukaryoten ökologisch erfolgreich wurden“, sagte Shuhai Xiao, Professor für Geobiologie und Co-Autor der Veröffentlichung. „Sie waren dort für eine lange Zeit in einem zurückhaltenden Status bis vor etwa 820 Millionen Jahren, als sie reichlich vorhanden waren.“

Kang beschloss, den Grund dafür zu erfahren. Er nahm die Daten aus den Gesteinsproben, gab sie in eine größere Datenbank ein und analysierte sie über einen längeren Zeitraum, der sich über verschiedene geografische Standorte erstreckte.

„Nachdem wir diese Art der Integration durchgeführt und in ein Gesamtbild eingefügt hatten, sahen wir den Aufstieg von Nitraten im Laufe der Zeit, der vor etwa 800 Millionen Jahren stattfand“, sagte Kang.

Solide Zusammenarbeit

Ein kollaborativer, internationaler Ansatz war der Schlüssel, um diese neuen Daten mit biologischen Ereignissen, insbesondere dem Aufstieg der Eukaryoten, in Verbindung zu bringen.

Gill und Rachel Reid, ebenfalls Geochemikerin am College of Science und Co-Autorin der Veröffentlichung, lieferten kritische Analysen durch Ressourcen, einschließlich des Massenspektrometers im Geoscience Stable Isotope Lab an der Virginia Tech. Ein an das Massenspektrometer gekoppelter Elementaranalysator ermöglichte es den Forschern, reines Stickstoffgas aus den Proben zur Analyse zu extrahieren.

Gill ist darauf spezialisiert, gegenwärtige und vergangene chemische Kreisläufe auf unserem Planeten zu rekonstruieren. Er arbeitet mit Paläontologen zusammen, um die in den geologischen Aufzeichnungen erhaltenen Aufzeichnungen des Lebens zu untersuchen, und untersucht, welche potenziellen Umweltfaktoren Veränderungen im Leben im Laufe der Geschichte ermöglicht haben könnten.

Reid, die ihre Forschung im Allgemeinen auf die neueren Ereignisse auf der Erde konzentriert, hatte die besondere Gelegenheit, diese alten Fossilien mit ihrem Stickstoffisotopen-Know-how zu unterstützen.

Alle Autoren der Virginia Tech sind assoziierte Mitglieder des Global Change Center des Fralin Life Sciences Institute, wobei Kang als Ph.D. Fellow im Graduiertenprogramm Interfaces of Global Change. Das Zentrum bringt Experten aus verschiedenen Disziplinen zusammen, um diese komplexen globalen Herausforderungen zu lösen und die nächste Generation von Führungskräften auszubilden.

Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft

Xiao, der bei der Ausgrabung und Untersuchung einiger der ältesten Fossilien aus der ganzen Welt geholfen hat, sagte, diese Art von Studie gebe ihm Hoffnung auf zukünftige Entdeckungen. Die Teammitglieder freuen sich auf die Zusammenarbeit mit der NASA bei zukünftigen Stipendien, wie z. B. dem Exobiologie-Programm zur Unterstützung ihrer aktuellen Forschung.

Wissenschaftliche Fortschritteum eine geprüfte Auswahl an Forschungsergebnissen bereitzustellen, die den Lesern frei zur Verfügung stehen.

„Wir können die Punkte aus den Stickstoffisotopenzusammensetzungen in der alten Vergangenheit verknüpfen und dann zum nächsten Schritt gehen und daraus schließen, wie viel Nitrat für Organismen verfügbar war“, sagte Xiao. „Und dann verknüpfen wir das mit den fossilen Daten, um zu zeigen, dass es eine Beziehung gibt.“

Während die alten Ozeane schon lange verschwunden sind, ist das, was in den alten Ozeanen passiert ist, in Felsen aufgezeichnet, und das Studium dieser Felsen bietet eine Verbindung von der Geschichte unserer Erde zur Gegenwart und zur Zukunft.

„Geologen betrachten Felsen aus dem gleichen Grund wie Aktienhändler die Dow-Jones-Kurve, wenn sie Entscheidungen treffen, Aktien zu verkaufen oder zu kaufen. Die in Felsen geschriebene geologische Geschichte gibt uns einen wichtigen Kontext über globale Veränderungen in der Zukunft“, sagte Xiao.