Large sulfur isotope fractionation during microbial sulfate reduction at low sulfate levels: Early life and environmental implications

Diep in de geschiedenis van onze planeet speelde zich een stil chemisch drama af dat de lucht die we inademen en het leven dat we kennen, heeft gevormd. Centraal in dit verhaal staat zwavel, een element dat fungeert als een cruciale schakelaar in de chemie van het aardoppervlak, waarbij het reageert met zuurstof, koolstof en ijzer om het milieu te reguleren. Lang voordat mensen over de aarde liepen, ontdekten microscopische organismen een manier om energie te oogsten door sulfaat, een veelvoorkomend opgelost zout, te nemen en het af te breken tot sulfide. Dit proces, bekend als dissimilatoire sulfaatreductie, wordt beschouwd als een van de oudste metabole strategieën die door het leven zijn ontwikkeld. Wanneer deze microben deze taak uitvoeren, laten ze een duidelijke chemische vingerafdruk achter: het sulfide dat zij produceren is lichter in zijn zwavelcompositie dan het sulfaat waarmee ze begonnen. Gedurende miljarden jaren reageerde dit sulfide met ijzer in de modder om pyriet te vormen, een mineraal dat deze isotopische signatuur in het gesteenterecord bewaart. Wetenschappers gebruiken deze eeuwenoude pyrietstenen al lang als een tijdmachine, zoekend naar bewijs van wanneer deze microben voor het eerst verschenen. Echter, een groot raadsel bleef hardnekkig: de gesteenten ouder dan 2,5 miljard jaar missen het sterke chemische signaal dat zou aangeven dat deze microben actief waren, wat velen deed geloven dat sulfaatreductie mogelijk nog niet bestond, of dat de oeroceanen te arm waren aan sulfaat voor de microben om effectief te kunnen werken.

Een onderzoeker zette zich in om dit mysterie op te lossen door het probleem vanuit een andere hoek te bekijken, met een focus op de specifieke condities van de oeroceanen. Ze wisten dat in moderne omgevingen waar sulfaat schaars is, de chemische vingerafdruk die door microben wordt achtergelaten zwak of verwarrend kan worden, wat het bewijs van hun activiteit potentieel kan verbergen. Om te begrijpen hoe dit werkt, reisde de wetenschapper naar acht verschillende natuurlijke omgevingen, variërend van de zoute, sulfaatrijke wateren van de moderne oceaan tot extreem zoetwatermeren waar sulfaat slechts in minuscule sporen aanwezig is. Ze verzamelden sedimentmonsters van deze locaties, waarbij ze de minuscule korrels pyriet die in de modder gevangen zitten, zorgvuldig extraheerden. In plaats van alleen de gemiddelde samenstelling van het gehele rotsmonster te meten, gebruikten ze geavanceerde technologie om de zwavelisotopen in individuele pyrietkorrels te analyseren, waarbij ze zochten naar de breedst mogelijke verschillen tussen de zwaarste en lichtste korrels. Deze aanpak op microschaal stelde hen in staat om het volledige bereik van de chemische veranderingen te zien die plaatsvonden precies daar waar de microben werkten, in plaats van een gemiddelde dat de details zou kunnen vervagen.

De resultaten waren opmerkelijk. Zelfs in de meren waar sulfaat ongelooflijk schaars was—aanwezig in concentraties zo laag als drie micromol, een verwaarloosbare hoeveelheid—produceerden de microben nog steeds een enorme chemische verschuiving. Het verschil tussen het sulfaat in het water en het sulfide in de pyriet bereikte bijna 48 parti per duizend, een waarde die bijna net zo groot is als wat er in sulfaatrijke omgevingen wordt gezien. Deze bevinding zette de aanname op zijn nummer dat lage sulfaatniveaus onvermijdelijk zouden leiden tot een zwak of onzichtbaar chemisch signaal. De onderzoeker ontdekte dat de microben hun energie-oogstende taak nog steeds met hoge efficiëntie uitvoerden, waardoor ze een duidelijk, grootschalig isotopisch merk achterlieten dat in het gesteenterecord bewaard kon worden. Deze observatie bood een nieuwe sleutel voor het lezen van het verre verleden, en suggereerde dat de afwezigheid van dit signaal in zeer oude gesteenten niet betekende dat de microben afwezig waren, maar eerder dat het signaal werd gemaskeerd of veranderd door andere factoren.

Gewapend met dit nieuwe begrip van hoe microben zich gedragen in condities met een laag sulfaatgehalte, richtte de onderzoeker de aandacht weer op het gesteenterecord, specifiek kijkend naar monsters ouder dan 2,2 miljard jaar. Ze verzamelden duizenden metingen uit eerdere studies en pasten hun nieuwe criteria toe om te identificeren welke monsters werkelijk de oorspronkelijke activiteit van oer-microben weerspiegelden. Ze vonden drie specifieke gesteentelagen, daterend van ongeveer 2,7 miljard jaar geleden, die het brede bereik van isotopische verschillen vertoonden dat kenmerkend is voor actieve sulfaatreductie. Deze gesteenten, gevormd in een oceaan die waarschijnlijk slechts enkele tot enkele tientallen micromol aan sulfaat bevatte, boden betrouwbaar bewijs dat deze microben veel eerder bloeiden dan voorheen werd aangenomen. De studie suggereert dat de microben tegen 2,7 miljard jaar geleden een volledig metabool pad hadden gevestigd dat in staat was te functioneren bij de sporen van sulfaat die beschikbaar waren in de vroege oceanen.

Echter, het verhaal legt ook uit waarom het verslag stil is voor de tijd vóór 2,7 miljard jaar. De onderzoeker stelt twee waarschijnlijke redenen voor in voor de gedempte signalen in de oudste gesteenten. Ten eerste, voordat het volledige sulfaatreducerende pad evolueerde, hebben vroege microben mogelijk een andere chemische stof gereduceerd, namelijk sulfiet, een precursor van sulfaat. Deze eerdere vorm van metabolisme zou een veel kleinere chemische verschuiving hebben geproduceerd, wat een zwakker spoor in de gesteenten achterliet. Ten tweede kan de intense hitte en druk van de geologische geschiedenis van de aarde de oudste gesteenten hebben veranderd, waardoor de duidelijke chemische verschillen zijn gladgestreken en ze uniform lijken te zijn geworden. De studie laat zien dat wanneer gesteenten metamorfose ondergaan, de unieke isotopische patronen die door microben zijn gecreëerd, worden uitgewist, waardoor er een smal bereik van waarden achterblijft dat kan worden aangezien voor een gebrek aan microbiële activiteit. Door onderscheid te maken tussen deze geologische veranderingen en de oorspronkelijke biologische signalen, heeft de onderzoeker de tijdlijn van het vroege leven verhelderd, de bevestigde aanwezigheid van sulfaatreducerende microben terug naar de dageraad van het Neoarcheaanse tijdperk gestuurd en een duidelijker beeld geschetst van hoe het leven zich aanpaste aan de chemische beperkingen van de vroege aarde.