Hamparan mikroba berlendir yang hidup di perairan dangkal adalah satu-satunya bentuk kehidupan di Bumi miliaran tahun yang lalu. Kadang-kadang, komunitas mikroba ini membentuk mineral karbonat yang menyatu menjadi stromatolit, bukti tertua kehidupan di Bumi. Namun, fosil-fosil ini tidak menjelaskan bagaimana mereka terbentuk.
Kehidupan saat ini bergantung pada oksigen, tetapi tikar mikroba ini ada sejak satu milyar tahun sebelum kehadiran oksigen di atmosfer. Oleh karena itu, apa yang digunakan oleh kehidupan pada saat itu?
Dalam fosil stromatolit, tim geologi, fisikawan, dan biologi kami menemukan bukti bahwa arsenik adalah bahan kimia yang ideal untuk fotosintesis dan respirasi kuno. Tetapi komunitas mikroba modern masih ada di Bumi. Apakah ada kemungkinan bahwa salah satu dari mereka menggunakan arsenik dan dapat menyokong teori kami?
Oleh karena itu, kami bergabung dengan ekspedisi survei para ilmuwan dari Chili dan Argentina untuk mencari stromatolit hidup di lingkungan ekstrem di Andes Tinggi. Kami terkejut besar ketika kami tiba di sebuah sungai kecil jauh di dalam Gurun Atacama. Tikar mikroba pembentuk stromatolit yang tumbuh subur tanpa oksigen membentuk dasar saluran yang berwarna ungu cerah. Tikar ini melakukan fotosintesis dan respirasi dengan dua jenis arsenik berbeda, seperti yang ditunjukkan oleh fosil kuno.
Mengubah sinar matahari menjadi energi
Selama 2,4 miliar tahun terakhir, organisme fotosintetik seperti tanaman dan cyanobacterium telah menggunakan sinar matahari, air, dan karbon dioksida untuk menghasilkan oksigen dan bahan organik. Dengan melakukan ini, mereka menghasilkan energi dari matahari yang dapat digunakan oleh kehidupan. Saat mereka mencerna karbon organik, organisme lain mendapatkan energi untuk respirasi mereka dengan menghirup oksigen.
Dunia purba juga menggunakan sinar matahari untuk menghasilkan energi, tetapi mikroba primitif tidak dapat membuat oksigen dari air atau menggunakan oksigen untuk respirasi, jadi mereka membutuhkan bahan kimia lain.
Pada tahun 2014, tim kami menemukan bukti pertama bahwa fotosintesis dan respirasi yang dibantu arsenik menghasilkan stromatolit. Kami mengebor terumbu karang kuno di Pedalaman Australia untuk mengumpulkan potongan-potongan stromatolit berusia 2,72 miliar tahun dari dunia pra-oksigen. Setelah itu, sampel-sampel ini dipotong dan dikirim ke Prancis. Kami membuat peta elemen kimia dalam sampel dengan mengukur sinar-X yang keluar ketika foton membombardirnya. Jika peta mengandung dua jenis arsenik, itu menunjukkan bahwa kehidupan menggunakan arsenik untuk fotosintesis dan respirasi. Meskipun tidak ada besi atau belerang dalam sisa-sisa kehidupan purba ini, kami menemukan banyak arsenik kedua jenisnya.
Meskipun menarik, bukti tambahan analog modern untuk membantu membuktikan. Komunitas tikar mikroba yang hidup di tempat yang benar-benar bebas oksigen belum pernah ditemukan oleh peneliti. Namun, jika ditemukan, hal itu dapat membantu menjelaskan bagaimana stromatolit pertama terbentuk ketika lautan dan atmosfer planet kita kekurangan oksigen.
Mikroba modern, yang mirip dengan analog kuno
Gurun Atacama di Chili, adalah tempat paling kering di Bumi. Diapit oleh gunung berapi dan terpapar radiasi ultraviolet yang tinggi. Tidak terlalu mendukung kehidupan modern dan tidak jauh berbeda dengan kondisi Bumi tiga miliar tahun yang lalu. Kami berhasil menemukan apa yang kami cari di sini, dengan bantuan tim dari tujuh negara dan empat benua.
Tujuannya adalah danau dangkal yang sangat asin Laguna La Brava yang terletak jauh di dalam gurun yang keras. Danau berasal dari sungai dangkal yang dialiri oleh mata air tanah vulkanik. Sungainya berwarna ungu tua yang luar biasa. Tikar mikroba yang tumbuh subur di perairan yang tinggi arsenik, sulfur, dan litium menghasilkan warna ini.
Kami mengambil potongan tikar dan mencari mineral. Mineral mendesis karbonat karena setetes asam! Stromatolit terdiri dari komunitas mikroba ini. Oleh karena itu, tim kami mulai bekerja dan berkemah di tempat tersebut selama berhari-hari.
Kami menggunakan peralatan lapangan kami pada siang dan malam untuk mengukur kimiawi air dan tikar. Kami tidak menemukan oksigen sama sekali, dan ketika kami kembali ke laboratorium, kami menemukan banyak arsenik dan sulfur. Melalui mikroskop, cyanobacteria penghasil oksigen tidak ada, tetapi bakteri fotosintesis berwarna ungu. Kami juga menemukan gen untuk metabolisme arsenik dengan mengumpulkan sampel DNA dari tikar.
Jawaban bumi untuk mars
Para ilmuwan dan astrobiolog NASA beralih ke Atacama untuk menjawab pertanyaan tentang bagaimana kehidupan dimulai di Bumi dan bagaimana kehidupan bisa dimulai di tempat lain. Ini karena kondisi keras Atacama sangat mirip dengan lingkungan Mars dan Bumi purba. Tikar bersepeda arsenik yang ditemukan di Laguna La Brava memberikan petunjuk kuat untuk menjawab beberapa pertanyaan paling dasar tentang kehidupan.
Di dalam wahana Mars 2020 Perseverance, yang saat ini meluncur di luar angkasa, terdapat instrumen yang memiliki kemampuan untuk mengamati elemen. Instrumen ini menggunakan proses yang sama dengan yang kami gunakan untuk membuat peta elemen. Ia mungkin menemukan bahwa ada banyak arsenik di batuan berlapis Mars, yang menunjukkan bahwa kehidupan juga menggunakan arsenik di sana.