Mycket av livet på planeten jorden idag är beroende av syre för att existera, men innan syre fanns på vår blå planet, livsformer använde troligen arsenik istället. Dessa fynd är detaljerade i forskning publicerad idag i Kommunikation Jord och miljö .

En nyckelkomponent i syrecykeln är där växter och vissa typer av bakterier i huvudsak tar solljus, vatten, och CO ₂ , och omvandla dem till kolhydrater och syre, som sedan cyklas och används av andra organismer som andas syre. Detta syre fungerar som ett fordon för elektroner, få och donera elektroner när det driver genom de metaboliska processerna. Dock, under hälften av tiden har liv funnits på jorden, det fanns inget syre närvarande, och under de första 1,5 miljarder åren, vi vet verkligen inte hur dessa system fungerade, säger huvudförfattare till studien och UConn professor i marina vetenskaper och geovetenskaper Pieter Visscher.

Ljusdriven, fotosyntetiska organismer förekommer i fossilregistret som skiktade karbonatstenar som kallas stromatoliter som dateras till cirka 3,7 miljarder år sedan, säger Visscher. Stromatolitmattor deponeras över eonerna av mikrobiella ekosystem, med varje lager som innehåller ledtrådar om livet vid den tiden. Det finns samtida exempel på mikrober som fotosyntetiseras i frånvaro av syre med hjälp av en mängd olika element för att slutföra processen, men det är oklart hur detta hände i de tidigaste livsformerna.

Teorier om hur livets processer fungerade i frånvaro av syre har mestadels förlitat sig på väte, svavel, eller järn som de grundämnen som transporterade elektroner runt för att uppfylla organismernas metaboliska behov.

Som Visscher förklarar, dessa teorier är bestridda; till exempel, fotosyntes är möjlig med järn, men forskare hittar inga bevis för det i fossilregistret innan syre dök upp för cirka 2,4 miljarder år sedan. Väte nämns, ändå visar energin och konkurrensen om väte mellan olika mikrober att det är mycket omöjligt.

Arsenik är en annan teoretisk möjlighet, och bevis för det hittades 2008. Visscher säger att kopplingen till arsenik stärktes 2014 när han och kollegor hittade bevis på arsenikbaserad fotosyntes på djupet. För att ytterligare stödja deras teori, forskarna behövde hitta en modern analog för att studera biogeokemin och elementets cykling.

Att hitta en analog till förhållandena på den tidiga jorden är en utmaning av ett antal anledningar, förutom det faktum att syre nu är rikligt. Till exempel, bevisen visar att tidiga mikrober fångade atmosfäriskt kol och producerade organiskt material vid en tidpunkt då vulkanutbrott var frekvent, UV-ljus var intensivt i frånvaro av ozonskiktet, och hav var i grunden en giftig soppa.

En annan utmanande aspekt av att arbeta inom fossilregistret, särskilt de som är så gamla som vissa stromatoliter, är att det finns få kvar på grund av rockens cykling när kontinenter rör sig. Dock, ett genombrott hände när teamet upptäckte en aktiv mikrobiell matta, existerar för närvarande under de svåra förhållandena i Laguna La Brava i Atacamaöknen i Chile.

Mattorna har inte studerats tidigare men uppvisar en utomjordisk uppsättning förhållanden, som de på den tidiga jorden. Mattorna befinner sig i en unik miljö som lämnar dem i ett permanent syrefritt tillstånd på hög höjd där de utsätts för vilda, dagliga temperatursvängningar, och höga UV-förhållanden. Mattorna fungerar som kraftfulla och informativa verktyg för att verkligen förstå livet under den tidiga jordens förhållanden.

Visscher förklarar, "Vi började arbeta i Chile, där jag hittade en blodröd flod. De röda sedimenten består av anoxogena fotosyntetiska bakterier. Vattnet är också mycket rikt på arsenik. Vattnet som rinner över mattorna innehåller svavelväte som är vulkaniskt ursprung och det rinner mycket snabbt över dessa mattor. Det finns absolut inget syre."

Teamet visade också att mattorna gjorde karbonatavlagringar och skapade en ny generation stromatoliter. Karbonatmaterialen visade också bevis för arsenikcirkulation - att arsenik fungerar som ett vehikel för elektroner - vilket bevisar att mikroberna aktivt metaboliserar arsenik, ungefär som syre i moderna system. Visscher säger att dessa fynd, tillsammans med fossila bevis, ger en stark känsla av de tidiga förhållandena på jorden.

"Arsenikbaserat liv har varit en fråga i termer av, har det en biologisk roll eller är det bara en giftig förening?" säger Visscher.

Den frågan verkar vara besvarad:"Jag har arbetat med mikrobiella mattor i ungefär 35 år eller så. Detta är det enda systemet på jorden där jag kunde hitta en mikrobiell matta som fungerade absolut i frånvaro av syre."

Visscher påpekar att ett viktigt verktyg de använde för att utföra denna forskning liknar ett ombord på Mars Perseverance-rover, för närvarande på väg till Mars.

"När jag letar efter bevis på liv på Mars, de kommer att titta på järn och förmodligen borde de titta på arsenik också."