Fossilien sind nicht immer so groß wie Dinosaurier. Mikrofossilien sind Fossilien, die so klein sind, dass sie nur mit einem Mikroskop wahrgenommen werden können. Diese Mikrofossilien können uns helfen zu verstehen, wann und wie frühe Lebensformen wesentliche Merkmale entwickelten – und uns letztendlich ermöglichen, die Evolution des Lebens zu studieren.
Zur Analyse dieser Mikrofossilien hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Akizumi Ishida von der Universität Tohoku in Zusammenarbeit mit Experten der Universitäten Tokio und Kochi eine bahnbrechende Analysemethode entwickelt. Die Ergebnisse erschienen in Wissenschaftliche Berichte am 20. September 2024.
„Um Mikrofossilien zu analysieren, müssen Wissenschaftler winzige Mengen wichtiger Elemente wie Phosphor und Molybdän nachweisen“, erklärt Ishida. „Bisher erwies sich dies jedoch als schwierig.“
Ihre Arbeit konzentriert sich auf 1,9 Milliarden Jahre alte Mikrofossilien aus Gunflint, die als „Standard“ der Mikrofossilienforschung gelten. Das Team verwendete einen neuartigen Ansatz, indem es diese Mikrofossilien auf einem speziell beschichteten Glasobjektträger (ITO-Glas) fixierte, was integrierte Beobachtungen sowohl mit optischer als auch mit Elektronenmikroskopie ermöglichte.
ITO-Glas ist eine Glasplatte, die mit einer dünnen Schicht Indiumzinnoxid (ITO) beschichtet ist. Diese leitfähige Beschichtung aus Metalloxid eignet sich nicht nur für die Elektronenmikroskopie und die Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS), sondern ermöglicht auch optische Beobachtungen. Aufgrund ihrer Transparenz kann die innere Struktur von Mikrofossilien untersucht werden.
Mit dieser Methode konnten auch Spurenelemente in den Mikrofossilien präzise nachgewiesen werden. Mit anderen Worten: Die wahre Menge konnte klar und deutlich gegenüber einem Grundpegel an Hintergrundrauschen festgestellt werden. Phosphor kommt beispielsweise auch natürlich in Sedimentgesteinen vor, daher ist es wichtig, den Unterschied erkennen zu können.
Indem sie die Störungen durch aus Gestein stammende Elemente und Materialien, die zur Befestigung der Fossilien verwendet wurden, überwanden, konnten die Forscher mithilfe von NanoSIMS (High Spatial Resolution Secondary Ion Mass Spectrometer) erfolgreich extrem niedrige Phosphor- und Molybdänwerte feststellen. Dieses Gerät ermöglicht die Abbildung fast aller Elemente außer Edelgasen mit einer ultrahohen räumlichen Auflösung von weniger als einem Mikrometer.
Ihre Analyse des Phosphors entlang der Konturen der Mikrofossilien ergab, dass diese urzeitlichen Mikroorganismen bereits Phospholipid-Zellmembranen besaßen, die denen moderner Organismen ähnelten. Darüber hinaus deutete das Vorkommen von Molybdän in Mikrofossilienkörpern auf die Existenz möglicher stickstofffixierender Stoffwechselenzyme hin, was mit früheren Berichten übereinstimmt, in denen diese Mikrofossilien als Cyanobakterien identifiziert wurden.
Dieses innovative Protokoll ist einzigartig, da es konsistente Beobachtungen und Analysen derselben Probe ermöglicht. Es bietet bedeutende Fortschritte im Verständnis der Entwicklung des Lebens auf der Erde und liefert direkte Beweise für Zellmembranen und Stoffwechselprozesse in urzeitlichen Mikroorganismen.
Diese Technik ist nicht nur auf Mikrofossilien anwendbar, sondern auch auf geologische Proben aus der Frühzeit der Erde mit minimalem organischem Material. Sie eröffnet Möglichkeiten zur Analyse noch älterer geologischer Perioden. Darüber hinaus ist sie auch auf Spurenelemente wie Kupfer, Nickel und Kobalt anwendbar, die Stoffwechselmuster aufdecken können.
Die Erkenntnisse dürften neue Maßstäbe in der Erforschung der Evolution des frühen Lebens setzen und letztlich dazu beitragen, die tiefgreifenden Fragen zu beantworten, wann und wo das Leben entstand und wie es sich auf der Erde entwickelte.
Weitere Informationen:
Kohei Sasaki et al., Ultrahochauflösende Abbildung von biogenem Phosphor und Molybdän in paläoproterozoischen Feuerstein-Mikrofossilien, Wissenschaftliche Berichte (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-72191-8