Древнейшие микрофоссилии можно отличить от похожих органоминеральных образований по химическому составу

Рис. 1. Рецепт приготовления псевдофоссилий: на дно высокой стеклянной пробирки нужно поместить пробку из агара, содержащую 5 мМ сульфида натрия, а сверху налить воды с экстрактом дрожжей. В водном столбе быстро установится стабильный градиент кислорода (у дна его мало) и сульфида (у дна его много). Через 3–6 дней в воде в свободном и прикрепленном виде появятся «микрофоссилии» из серы и органики — прямые и ветвящиеся одиночные филаменты, их пучки и розетки, одиночные и двойные полые сферы (показаны в нижнем ряду; длина масштабных отрезков: a — 10 мкм, b–d — 20 мкм). Более крупные фото этих частичек показаны на рис. 2. Если дрожжевой экстракт не добавлять, то никаких интересных «фальшивок» не синтезируется. Изображения из статьи J. Cosmidis, A. Templeton, 2016. Self-assembly of biomorphic carbon/sulfur microstructures in sulfidic environments

Группа американских геохимиков синтезировала в лабораторных условиях микроструктуры, внешне напоминающие различные формы бактерий и грибов. Эти биоморфы состояли из серы и органики — таковы были условия синтеза. Авторы провели детальное исследование этих биоморф, сравнив их с известными архейскими и протерозойскими фоссилиями, а также с живущей ныне серобактерией Thiothrix. Ученых интересовали не сходства синтезированных биоморф с настоящими микрофоссилиями — они очень похожи!, — а их различия. Выяснилось, что отличить одно от другого можно лишь с учетом детального химического состава органики. Также показано, что синтезированные биоморфы лучше сохраняются при минерализации кремнием, чем настоящие нити и клетки Thiothrix.

Группе геохимиков под руководством Жюли Космидис (Julie Cosmidis) из Университета штата Пенсильвания удалось синтезировать в лабораторных условиях микроструктуры, внешне напоминающие различные формы микробов и грибов. Эти биоморфы состояли из серы и органики — таковы были условия синтеза (рис. 1). Предположим, что подобные структуры будут синтезироваться в осадке, — а в этом нет ничего недопустимо сложного, так как для этого нужны лишь вездесущие сульфиды, простые сахара и короткие растворимые белки. Как отличить их от фоссилизованных микроорганизмов, в частности серобактерий, живущих в условиях изобилия сульфидов? Вокруг этого вопроса строилось исследование, результаты которого недавно были опубликованы в журнале Geology.

Для затравки авторы проиллюстрировали сходство формы сераорганических биоморф с известными архейскими и протерозойскими фоссилиями (рис. 2). Показаны сферические и нитчатые формы, среди нитчатых образований есть изогнутые, по-разному ветвящиеся, а также собранные в пучки и розетки или просто в перепутанные клубки.

Рис. 2. Парные изображения, на которых слева приведены архейские или протерозойские микрофоссилии, а справа — сераорганические биоморфы такой же формы и размера. Под рисунками подписаны возраст и местонахождение микрофоссилий. Изображения из обсуждаемой статьи в Geology

Из этого сравнения с очевидностью следует, что форма ископаемого органического образования не обязательно говорит о его «биологическом» происхождении. Требуются дополнительные признаки. Чтобы их выявить, ученые поставили эксперимент с биоморфами и живой серобактерией Thiothrix (рис. 3).

Рис. 3. Пучки, образованные бактериями Thiothrix в серном источнике (А), а также бактериальные нити с разным увеличением. При больших увеличениях (изображения С и D) видно, что внутри каждой клетки находятся глобулы серы. Фото из статьи H. Strauss et al., 2015. Multiple sulphur and oxygen isotopes reveal microbial sulphur cycling in spring waters in the Lower Engadin, Switzerland

Изготовленные биоморфы и живые бактерии были помещены в раствор кремнистого натрия (окремнение очень характерно для древнейших микрофоссилий) и оставили на пять месяцев. Затем извлекли получившиеся «фоссилии», сфотографировали и проанализировали их химический состав.

Уже через две недели биоморфы и бактерии выглядели по-разному. Биоморфы сохранили свою форму, но стали полыми внутри. Клетки бактерий Thiothrix потеряли свою цилиндрическую форму и превратились в плоские разорванные ленты. Нужно отметить, что разные бактерии могут сохранять свою форму и дольше — все зависит, по-видимому, от условий эксперимента и вида бактерии. Однако, по моим наблюдениям, даже стойкие нитчатые бактерии, такие, как цианобактерии в полисахаридных чехлах, в обычных экспериментальных условиях уплощаются и деформируются до неузнаваемости. А биоморфы, по крайней мере, полые сферические, нередко встречаются в глинистых и силикатных породах, и их легко можно принять за нечто «биологическое». Так что они, по всей видимости и в природных условиях сохраняются относительно долго. Но в любом случае данный вывод о большей устойчивости формы искусственных биоморф касается только экспериментальных условий. Насколько они адекватны природным условиям захоронения в кремнистых породах, тем более на древней планете, мы пока не понимаем.

И биоморфы, и бактерии Thiothrix сверху покрылись кремнием и растеряли свою серу. Она перешла в растворимую форму (в виде полисульфидов) и оказалась снаружи в среде или на поверхности «фоссилий». Именно из-за потери внутреннего серного содержания биоморфы оказались полыми. Полисульфиды легко соединяются с органическими молекулами, поэтому из раствора они частично осели на поверхность биоморфов. Если бы в растворе присутствовало железо, оно бы немедленно среагировало с этой серой, и биоморфы оказались бы пиритизироваными. Именно это часто наблюдается в органических микрофоссилиях.

Единственное различие биоморф и окремненных бактерий Thiothrix, которое авторы работы сочли надежным, — это состав их органики. В биоморфах практически отсутствовали амиды, а в тиотриксе — ненасыщенные углеводороды. По мнению авторов, соотношение этих соединений, а точнее их форм, видоизмененных диагенезом, может служить указанием на биологическую природу остатков. Осталось лишь проверить это предположение на практике.

В настоящее время палеонтологи чрезвычайно строго относятся к описаниям микрофоссилий из архейских и протерозойских пород. Если еще 20 лет назад любое органическое образование, с виду «биологическое», немедленно объявляли свидетельством древней жизни, то теперь все изменилось. Стало гораздо больше известно о загрязнениях, как современных, так и просочившихся в древние слои из более молодых пластов. Это касается и микробных загрязнений, и изотопов с биомаркерами. «Биологическая» форма теперь вызывает не восторг, а напряженный скепсис и отмашки в сторону микроминералогии.

Для слоистых структур, напоминающих строматолиты, во многих случаях найдены абиотические объяснения. Сейчас самыми ранними более-менее доказанными настоящими ископаемыми считаются микрофоссилии австралийской формации Дрессер (см. Dresser formation) возрастом 3,5 млрд лет. Относительно остальных находок дебаты продолжаются, обретая все более специальный контекст, детализацию и терминологию. Сориентироваться в этих дебатах поможет статья Challenges in evidencing the earliest traces of life, опубликованная в журнале Nature полтора года назад. Спорщики энергичны в своих поисках и добросовестны. Так что есть надежда, что читателю преподносятся не желаемые фантазии, а реальное положение текущего научного поиска.

Источники:
1) Christine Nims, Julia Lafond, Julien Alleon, Alexis S. Templeton, Julie Cosmidis. Organic biomorphs may be better preserved than microorganisms in early Earth sediments // Geology. 2021. DOI: 10.1130/G48152.1.
2) Emmanuelle J. Javaux. Challenges in evidencing the earliest traces of life // Nature. 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1436-4.

Елена Наймарк