Tiga setengah miliar tahun yang lalu, Bumi telah menjadi tuan rumah bagi kehidupan. Tetapi, apakah pada masa itu kehidupan baru saja dimulai atau telah dan sedang berkembang?
Sebuah studi terbaru yang dilakukan oleh tim multi-institusional yang dipimpin oleh Earth-Life Science Institute (ELSI) dari Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) memberikan wawasan baru yang diharapkan dapat memberikan jawaban untuk pertanyaan tersebut.
Metabolisme mikroba tercatat dalam miliaran tahun rasio isotop belerang yang sesuai dengan prediksi dari penelitian ini, yang menunjukkan bahwa kehidupan tengah berkembang di lautan purba. Dengan menggunakan data ini, para ilmuwan dapat lebih menghubungkan catatan geokimia dengan keadaan seluler dan ekologi.
Para ilmuwan ingin mengetahui berapa lama kehidupan telah ada di Bumi.
Jika sudah ada hampir seumur dengan planet ini, maka hal tersebut menunjukkan bahwa kehidupan begitu mudah untuk dimulai dan seharusnya begitupun dengan yang terjadi di alam semesta.
Jika diperlukan waktu yang lama untuk dimulai, maka ini menunjukkan bahwa terdapat kondisi yang sangat khusus yang dipastikan telah terjadi.
Dinosaurus, yang tulangnya dipajang di berbagai museum di seluruh dunia, didahului oleh mikroba sejak miliaran tahun. Sementara mikroba telah meninggalkan beberapa bukti fisik keberadaannya dalam catatan geologis purba, mereka tidak memfosil dengan baik, sehingga para ilmuwan perlu menggunakan metode lain untuk memahami apakah kehidupan telah hadir dalam catatan geologis.
Saat ini, bukti tertua dari kehidupan mikroba di Bumi hadir dalam bentuk isotop stabil. Unsur-unsur kimia yang dipetakan pada tabel periodik yang ditentukan oleh jumlah proton dalam nukleusnya.
Sebagai contoh, atom hidrogen memiliki satu proton, atom helium memiliki dua, atom karbon mengandung enam. Selain proton, sebagian besar inti atom juga mengandung neutron, yang kira-kira sama beratnya dengan proton, tetapi tidak mengandung muatan listrik. Atom yang mengandung jumlah proton yang sama, tetapi jumlah neutron yang bervariasi, dikenal sebagai isotop.
Sementara banyak isotop yang bersifat radioaktif dan karenanya meluruh menjadi unsur-unsur lain, beberapa yang lainnya tidak mengalami reaksi seperti itu; ini dikenal sebagai isotop “stabil”. Misalnya, isotop karbon yang stabil termasuk karbon 12 (ditulis sebagai 12C, terdiri dari 6 proton dan 6 neutron) dan karbon 13 (13C, 6 proton dan 7 neutron).
Semua makhluk hidup, termasuk manusia, “makan dan mengeluarkan.” Dengan kata lain, mereka makan dan membuang limbahnya. Mikroba sering memakan senyawa sederhana yang telah tersedia di lingkungan sekitarnya.
Sebagai contoh, beberapa mikroba mampu menggunakan karbon dioksida (CO2) sebagai sumber karbon untuk membangun sel mereka sendiri. CO2 yang terjadi secara alami memiliki rasio yang cukup konstan antara 12C hingga 13C. Namun, 12CO2 sekitar 2 persen lebih ringan daripada 13CO2, jadi molekul 12CO2 berdifusi dan bereaksi sedikit lebih cepat, dan dengan demikian mikroba itu sendiri menjadi “ringan secara isotop,” mengandung lebih banyak 12C daripada 13C, dan ketika mereka mati dan meninggalkan sisa-sisa mereka sebagai catatan fosil, ciri khas isotop stabil mereka akan tetap dan dapat diukur. Komposisi isotop, atau ciri khas dari proses tersebut bisa jadi sangat spesifik untuk mikroba yang telah memproduksinya.
Selain karbon, ada unsur-unsur kimia lainnya yang penting bagi makhluk hidup. Sebagai contoh, belerang, dengan 16 proton, memiliki tiga buah isotop stabil yang berlimpah di alam, S (dengan 16 neutron), 33 S (dengan 17 neutron) dan 34 S (dengan 18 neutron).
Pola isotop belerang yang ditinggalkan oleh mikroba dengan demikian mencatat sejarah metabolisme biologis berdasarkan senyawa yang mengandung belerang yang berasal dari sekitar 3,5 miliar tahun yang lalu.
Ratusan studi sebelumnya telah meneliti variasi luas dalam rasio isotop belerang purba dan kontemporer yang dihasilkan dari metabolisme sulfat (senyawa belerang yang terbentuk secara alami yang berikatan dengan empat atom oksigen).
Banyak mikroba dapat menggunakan sulfat sebagai bahan bakar, dan dalam prosesnya mengeluarkan sulfida. “Limbah” sulfida dari metabolisme mikroba purba kemudian tersimpan di dalam catatan geologis, dan rasio isotopnya dapat diukur dengan menganalisis mineral seperti mineral pirit FeS2
Studi baru ini mengungkapkan langkah kontrol biologis utama dalam metabolisme sulfur mikroba, dan menjelaskan keadaan seluler yang menyebabkan jenis fraksinasi isotop sulfur. Hal ini memungkinkan para ilmuwan untuk menghubungkan metabolisme dengan isotop : Dengan mengetahui bagaimana metabolisme mengubah rasio isotop stabil, para ilmuwan dapat memprediksi ciri khas isotop organisme yang harus ditinggalkannya.
Studi ini memberikan beberapa informasi pertama tentang seberapa kuat kehidupan purba bermetabolisme. Metabolisme sulfat mikroba tercatat dalam rasio isotop belerang lebih dari 3 miliar tahun yang sesuai dengan prediksi penelitian ini, yang menunjukkan bahwa kehidupan pada kenyataannya berkembang di lautan purba.
Dengan menggunakan tipe data ini, para ilmuwan sekarang dapat melanjutkan pada unsur-unsur lainnya, seperti karbon dan nitrogen, dan lebih lengkap menghubungkan catatan geokimia dengan keadaan seluler dan ekologi melalui pemahaman evolusi enzim dan sejarah Bumi.
