Когда исследователи изучают следы ранней биосферы Земли, они сталкиваются со сложностями датировки. Древние породы за миллиарды лет сминаются, нагреваются, плавятся и кристаллизуются заново. Органическое вещество при этом превращается в кероген — полимерную массу из остатков белков и углеводов. Обычно возраст древних окаменелостей или углерода определяют косвенно, через соседние слои пород сверху или снизу. Кроме того, требуется еще доказать, что найденная органика имеет именно биологическое происхождение, а не образована в ходе геотермальных реакций.
Авторы исследования, опубликованного в журнале PNAS, изучили образцы породы из индийского кратона Сингхбхум. Ученые проанализировали черно-белый полосатый черт Бхитардари — твердую осадочную кремнистую породу, которая сформировалась на дне древнего моря. «Черно-белым полосатым» его называют из-за структуры, в которой чередуются светлые слои кварца и темные слои богатого углеродом керогена. Черт сохранил следы древнего микробного мата — многослойной колонии бактерий.
Внутри черта геологи нашли микроскопические кристаллы циркона размером 40–60 микрометров. По соотношению тория и урана они подтвердили магматическое происхождение минералов. Ученые пришли к выводу, что циркон взялся из вулканического пепла, который падал на колонию микроорганизмов, и это дало возможность точно датировать сам кероген. Ученые измерили концентрацию изотопов урана и свинца в кристаллах, чтобы узнать точное время их кристаллизации, и получили 3497 ± 5 миллионов лет.
Но как органика дожила до наших дней? На это дала ответ рамановская спектроскопия, которая показывает максимальную температуру, до которой нагревался образец. Выяснилось, что в породе соседствуют два типа углерода. В микротрещинах, где проходили гидротермальные флюиды, порода нагрелась до 639 °С и стала графитом. Но основная масса керогена не нагревалась выше 369 °C и поэтому сохранила первоначальную структуру.
Наконец, чтобы выяснить происхождение углерода, масс-спектрометром измерили соотношение легкого и тяжелого изотопов углерода. Изотопный анализ керогена показал значение равное −30,9‰. Такой сдвиг в сторону легкого углерода совпадает с маркерами биологических путей, которые бактерии используют, чтобы связывать углекислый газ.
Исследователи пытались измерить в породе изотопы азота, чтобы получить больше данных о метаболизме организмов. Однако концентрация азота оказалась слишком низкой, поэтому авторы исключили эти результаты из выводов, чтобы сохранить научную достоверность. Так или иначе, изотопный и структурный анализ керогена показал, что уже 3,5 миллиарда лет назад вблизи действующих вулканов обитали микробы.