Oeroude zwaveletertjes
Michiel van Nieuwstadt 5 januari 2008 NRC

voor oudste leven op aarde duiken steeds weer nieuwe aanwijzingen op

Bewijzen voor het oudste leven op aarde zijn niet hard, zegt geochemicus Mark van Zuilen. Zelf ontdekte hij een 3,5 miljard jaar oude microbe. Michiel van Nieuwstadt

Een foto van 3,5 miljard jaar oude draadvormige bacteriŽn duikt op in veel moderne leerboeken biologie of geologie. De vroegste sporen van leven op aarde, staat dan in het bijschrift. Het zou gaan om cyanobacteriŽn, organismen die net als planten zonlicht gebruiken om koolstof vast te leggen. Oeroude fotosynthese dus. Maar deze fossiele cellen uit de West-Australische Pilbara zijn geen hard bewijs. Alle gesteente op aarde van 2,7 miljard jaar en ouder is blootgesteld aan geologische metamorfose, zegt Mark van Zuilen
, in Utrecht opgeleid als geochemicus en nu werkzaam bij de onderzoeksgroep GťobiosphŤre Actuelle et Primitive van Pascal Philippot aan het Institut de Physique du Globe in Parijs. Dat betekent dat het door de geologische molen is gehaald. Het is diep in de aarde onder hoge druk en temperatuur gerekristalliseerd. Oeroude gesteentes met ongeschonden microfossielen zijn eigenlijk verdacht.

Sporen of vermeende sporen van oeroud leven worden gevonden in een select aantal uithoeken van de wereld. Ze liggen ingeklemd en opgestuwd tussen s werelds oudste stukken aardkorst in Groenland (Akilia Island, Isua), Zuid-Afrika (Barberton) en het westen van AustraliŽ. Het speurwerk naar het vroege leven levert al jarenlang een gestage stroom publicaties op. De ontdekker van oude sporen van leven haalt vaak de wereldpers, maar neemt ook een risico. Concurrerende wetenschappers zullen proberen gaten te schieten in het bewijs. Het is bijna lachwekkend, zegt Van Zuilen, een globetrotter die vorige maand voor een bruiloft even in Nederland was. Steeds als iemand roept dat er ergens sporen van leven zijn gevonden dan probeert een andere groep aan te tonen dat het geen leven kan zijn.

Gefossiliseerde organismen, of de afdrukken daarvan, zijn niet het enige bewijs voor vroeg leven. Een kenmerkende verhouding tussen lichte en zwaardere varianten (isotopen) van koolstof, zwavel of andere elementen kan ook een aanwijzing zijn. En dan zijn er de stromatolieten: leefgemeenschappen van verschillende bacteriŽn die gelaagde kolommen of koepelvormige structuren kunnen achterlaten. Ook op deze sporen kan de geologische molen zijn uitwerking hebben. Tenslotte zijn er de kenmerkende moleculen die een bestanddeel vormen van de membranen van microben. Dit vormt misschien wel de krachtigste aanwijzing voor leven.


Van Zuilen heeft enkele publicaties op zijn naam staan waarin hij claims voor meer dan drie miljard jaar oud leven onderuit haalt. Toch gelooft hij dat er in zijn vakgebied nog altijd progressie wordt geboekt. Zelf publiceerde Van Zuilen onlangs over zwaveletende bacteriŽn in 3,5 miljard jaar oud West-Australisch gesteente (Science, 14 september). Met geavanceerde apparatuur toonde hij hierin voor leven kenmerkende zwavelisotopen aan. Het gesteente komt uit een wetenschappelijke diepteboring, met weinig kans op vervuiling. Bovendien beschrijven Van Zuilen en zijn collegas expliciet de omgeving waarin hun zwaveletertje moet hebben geleefd. We zijn steeds beter in staat om dingen uit te sluiten, zegt hij.

In een recente overzichtspublicatie houdt Van Zuilen de aanwijzingen voor het vroegste leven op aarde tegen het licht (Earth, Moon and Planets, 2006). In deze kritische beschouwing worden heel wat wetenschappelijke reputaties op losse schroeven gezet. Pikant is dat het meest overtuigende record voor vroeg leven buiten de wetenschappelijke literatuur nog nauwelijks aandacht heeft gekregen. In 1999 berichtte Jochen Brocks van Australian National University in Canberra in Science over 2,7 miljard jaar oude organismen in een boorkern uit de Hamersley Basin in het noordwesten van AustraliŽ.

Het bewijs van Brocks is sterk, omdat het komt uit betrekkelijk ongeschonden gesteente. Hij vond complexe moleculen die onderdeel zijn van de celwand. Dankzij deze zeer specifieke biomarkers kon Brocks zelfs vaststellen dat de microben verwant zijn aan cyanobacteriŽn die leven in heetwaterbronnen in het Amerikaanse Yellowstone Park. Toch omgeeft een restje van twijfel ook dit record. Het is mogelijk dat biomarkers van jongere organismen als vervuiling in het gesteente terecht zijn gekomen toen de boorkern uit de grond werd gehaald.

Dat het vroegste leven de carriŤres kan maken en breken, weet de Amerikaanse geoloog Bill Schopf, verbonden aan de universiteit van CaliforniŽ. In Nature zette Martin Brasier van de universiteit van Oxford in 2002 frontaal de aanval in op zijn publicatie over de fossielen van 3,5 miljard jaar oude cyanobacteriŽn - het record uit de tekstboeken. In zijn Science-publicatie uit 1993 schrijft Schopf dat de organismen aan het oppervlakte leefden, stierven, naar de zeebodem dwarrelden en terecht kwamen in silicaatafzettingen.

Maar volgens Brasier zaten de organismen in een zogeheten feeder dyke. Van Zuilen: Dat is een natuurlijke pijpleiding in de zeebodem waar heet water doorheen heeft gestroomd. Een hydrothermaal systeem dus waarin koolwaterstoffen met een voor leven kenmerkende isotopen-fractionering kunnen ontstaan [zie kader]. Rondkolkend heet water zou volgens Brasier ook de typische structuren in het silicaat kunnen verklaren die Schopf interpreteerde als microfossielen.

Een vergelijkbare complexe geochemische oorsprong typeert alle vindplaatsen van vroeg leven. De cratons waarop ze liggen zijn overblijfselen van oeroude continenten die door de geologische molen zijn gehaald, maar waarin de oorsprong toch nog herkenbaar is.


De sporen van leven zitten in zogeheten Greenstone Belts:
stukjes vervormde oceaankorst die nog herkenbaar zijn aan kussenbasalten, een gesteente dat ontstaat als lava uit de zeebodem omhoog stulpt en in contact komt met koud zeewater. Die Greenstone Belts heten zo, omdat ze uit ijzer- en magnesiumrijk gesteente bestaan dat veel groene mineralen herbergt, zegt Van Zuilen. Voorbeelden van dergelijke groenige mineralen zijn chloriet en amfibolen.


Al deze Greenstone Belts dragen kenmerken van vulkanisme en hydrothermale bronnen op de zeebodem. Precies het milieu dus dat valse sporen van leven zou kunnen opleveren.


De stroom publicaties over het vroege leven is niet afgenomen na de geruchtmakende controverse tussen Brasier en Schopf. Een Noors-Canadees team heeft in 3,5 miljard jaar oude kussenbasalten in het Zuid-Afrikaanse Barberton microbiŽle graaf- of eetsporen ontdekt (Science, 23 april 2004). Yuichiri Ueno van het Tokyo Institute of Technology publiceerde vorig jaar de theorie dat het 3,5 miljard jaar oude gesteente in de Australische Pilbara-formatie misschien dan geen fossielen bevat van cyanobacteriŽn, zoals Schopf dacht, maar wel van methaan producerende bacteriŽn (Nature, 23 maart 2006). Die organismen zouden kunnen overleven in het water van meer dan honderd graden dat je verwacht bij een hydrothermale bron, maar ook deze interpretatie is omstreden.

Nog een nieuwe pretendent is Abigail Allwood van Macquarie University in Sydney. Zij vond stromatolieten in de 3,4 miljard jaar oude Strelley Pool Chert, weer een andere afzetting op het oude craton van Noord-West AustraliŽ (Nature, juni 2006). In de tekstboeken staan de stromatolieten naast de fotos van cyanobacteriŽn. Maar ook de echtheid van deze stromatolieten is in twijfel getrokken. Medio jaren negentig is aangetoond dat een gelaagde structuur die lijkt op een stromatoliet kan ontstaan door de plooiing van sediment en het periodiek indampen van zout water of periodieke uitbarstingen van geisers.

In moderne stromatolieten leven microben die fotosynthese bedrijven samen met microben die deze organismen eten. Het is volgens Van Zuilen onlogisch om te veronderstellen dat micro-organismen die aan fotosynthese deden in meer dan drie miljard jaar oude stromatolieten bewaard bleven. In moderne stromatolieten worden die bacteriŽn opgegeten door de organismen waarmee ze samenleven. Het organische materiaal verdwijnt en er blijft alleen een kalklaagje over. Van Zuilen wil niet beweren dat meer dan drie miljard jaar oude stromatolieten zijn uitgesloten. Alleen dat deze leefgemeenschappen er in de zuurstofloze atmosfeer waarschijnlijk heel anders hebben uitgezien dan de stromatolieten die we kennen uit het West-Australische Shark Bay, of de microbiŽle algenmatten die leven aan de rand van heetwaterbronnen in Yellowstone Park.

Voor de echtheid van de stromatolieten die Allwood heeft ontdekt in Noord-West AustraliŽ, pleit volgens Van Zuilen dat het gaat om enorme afzettingen die zich uitstrekken over een lengte van tien kilometer. Er zijn verschillende soorten stromatolieten gevonden waaronder kegelvormen die uit abiologische processen moeilijk verklaarbaar zijn. Toch is er ook hier controverse. Martin Brasier heeft in de Strelley Pool Chert al weer feeder dykes gevonden, zegt Van Zuilen.

Is het speuren naar hard bewijs voor het vroege leven een hopeloze zaak? Van Zuilen ziet nog altijd vooruitgang. Moderne, nauwkeuriger apparatuur helpt fouten voorkomen. Als voorbeeld noemt hij de laserablatie en ionen-sputtering waarbij uit een steen een klein beetje materiaal wordt gehaald dat meteen wordt omgezet in een plasma dat de spectroscoop in kan. De spectroscopen zelf zijn ook gevoeliger geworden. Het meten van diverse zwavelisotopen in gesteente, zoals Van Zuilen dat doet in zijn recente Science-publicatie, is nog niet zo heel lang mogelijk.

Van Zuilen maakte het bestaan van 3,5 miljard jaar oude zwaveletende bacteriŽn aannemelijk in de Dresser-formatie in het Australische Pilbara. Dat deed hij door in pyriet de verhoudingen te bepalen van de standaard zwavelisotoop met 16 neutronen en 16 protonen (zwavel-32) in vergelijking met zwavel-33 (17 neutronen) en zwavel-34 (18 neutronen). Net als een overschot aan lichte koolstof wijzen lichte zwavelisotopen op leven. Maar van Zuilen keek ook naar de omgeving. Uit de verhouding tussen het zwavel-33 en de andere isotopen kon hij laten zien dat de bacterie elementaire zwavel at die was gevormd in een atmosfeer waarin ultraviolette straling bij gebrek aan een ozonlaag vrij toegang had. Het zwaveletertje moet geleefd hebben in een ondiepe poel.

Ja, erkent Van Zuilen, ook over zijn studie bestaat controverse: Er zijn bijvoorbeeld mensen die zeggen dat elementair zwavel eerst is geoxideerd en dat het daarna in de vorm van sulfaat in hydrothermale bronnen terecht is gekomen. Wij denken dat we dat kunnen uitsluiten met een ingewikkelde som waarin we de totale massa van de zwavelisotopen in de verschillende reservoirs in balans brengen. Het is een soort accountancy. Je kunt steeds meer isotopen gebruiken en die moeten een samenhangend beeld geven dat strookt met de geologische processen. Je komt op een punt waar je je in steeds meer bochten moet wringen om processen abiologisch te verklaren. Dan moet je concluderen dat oeroud leven is aangetoond.

Een klassieke aanwijzing voor leven is de kenmerkende verhouding waarin isotopen, lichte en zwaardere varianten van elementen als koolstof en zwavel, voorkomen in gesteente. Levende organismen gebruiken bij voorkeur lichte isotopen. Aardwetenschappers spreken van isotopen-fractionering. Die vingerafdruk kan miljarden jaren later nog herkenbaar zijn, maar deze isotopenratios hebben een lange en gecompliceerde historie. Vulkanisme en heetwaterstromen in de zeebodem kunnen de boel in de war schoppen. Aardwetenschapper Mark van Zuilen: In gesteente zit koolstof van dode planten of bacteriŽn, maar ook kalk die uit het water is neergeslagen. In het organische materiaal zitten meer lichte koolstofisotopen dan in de kalk. Dat komt doordat organismen chemische processen versnellen. En processen lopen het snelst en het efficiŽntst met de lichte standaardisotopen zoals zwavel-32 en koolstof-12. Het kristalliseren van kalk uit water gaat veel langzamer. Daarbij ontstaat een evenwichtstoestand. Waar de verhouding aan lichte en zware isotopen onder die omstandigheden op uit komt, kun je uitrekenen met kwantummechanica. De verhouding koolstof-12/koolstof-13 van kalk die neersloeg zonder tussenkomst van organismen is als de standaard gedefinieerd. Bij de koolzuurassimilatie van planten is de verhouding tussen de zware en de lichte isotoop drie procent lager. Die kenmerkende afwijking is teruggevonden in allerlei gesteenten, ook in 3,5 miljard jaar oud gesteente met vermeende cyanobacteriŽn uit de Australische Pilbara. Maar allerlei geologische processen kunnen ook een verrijking van lichte isotopen teweeg brengen, zegt Van Zuilen. Dit zijn snelle processen zoals die van het het leven. Daarbij wordt geen evenwicht bereikt. Het zijn typisch reacties die optreden tijdens vulkanisme en zogeheten hydrothermale processen. Hydrothermale processen, waarbij warm water onder invloed van vulkanisme door de aardkorst circuleert, vinden plaats langs mid-oceanische ruggen waar nieuwe aardkorst ontstaat. Langs deze ruggen zakt zeewater in de zeebodem. Het wordt verhit door magmatisch gesteente en komt weer omhoog. Van Zuilen: Thomas McCollom van de universiteit van Colorado heeft onlangs experimenteel aangetoond dat water gereduceerd wordt tot waterstof als je het onder zeer hoge druk voert door gesteente met veel ijzer en magnesium, het gesteente dat ook voorkomt langs de mid-oceanische ruggen. Dat waterstof reageert met koolstofmonoxide en koolstofdioxide, waarbij koolwaterstoffen als methaan en ethaan ontstaan. In de industrie wordt dit de Fisher-Tropsch synthese genoemd. Het vervelende is: de isotopenfractionering is precies die van fotosynthese. Interessant is dat er drie miljard jaar geleden nog niet al te veel land bestond. Het vulkanisme dat er was, speelde zich dus vooral af op de zeebodem en al die koolwaterstoffen kunnen ontstaan zijn in een proces dat lijkt op Fisher-Tropsch.

Datum:

05-01-2008

Sectie:

Wetenschap & Onderwijs

Pagina:

35

Foto-onderschrift:

Mark van Zuilen in Hammersley, West-Australi. Deze afzettingen zijn mogelijk gemaakt door zuurstofproducerende microben. Vermeende 3,5 miljard jaar oude fossielen van cyanobacterin in Essentials of Geology van Stephen Marshak. Rechtsboven: stromatolieten, gelaagde afzetting waarin deze fossielen zijn ontdekt.

Trefwoord:

Scheikunde; Evolutie; Geologie

Persoon:

Mark van Zuilen

Op dit artikel rust auteursrecht van NRC Handelsblad BV, respectievelijk van de oorspronkelijke auteur.