I ett utomhuslager i tropiska Darwin, Australien, står dussintals brickor med cylindriska borrkärnor, borrade hundratals meter under ytan av mineralprospekteringsföretag för decennier sedan. Dessa företag letade mest efter mineraler, inte efter existensens hemligheter, så de kan förlåtas för att de inte lade märke till de mikroskopiska fossilen av uråldriga organismer begravda i lerskiffern – sedimentär bergart bildad av hårdnad havsbottenlera – från ett inlands hav som täckte stora delar av norra Australien för över 1,5 miljarder år sedan.

Som en ny studie publicerad i Nature visar, är dessa försummade borrkärnor centrala för en långvarig gåta om det största evolutionära språnget i jordens historia: eukaryoternas ursprung.

Allt liv på jorden faller in i en av två kategorier, fundamentalt olika på cellnivå. Prokaryoter – bakterier och arkéer – har enkel cellorganisation och är mestadels encelliga. Eukaryoter, som inkluderar alla djur, växter, alger och svampar, har långt mer komplicerade celler med en cellkärna och specialiserade strukturer kallade organeller som utför specifika uppgifter. Den eukaryota revolutionen förvandlade planeten, ledde till djurens uppkomst och, så småningom, till oss. Baserat på observationer av gener från levande organismer är det nu allmänt accepterat att den sista gemensamma förfadern till alla levande eukaryoter uppstod genom en symbiotisk förening av åtminstone två prokaryota mikrober: en arkée och en bakterie.

Det första beviset för eukaryotiskt liv kommer i form av fossil av encelliga organismer som visar en nivå av cellulär komplexitet som inte ses bland prokaryoter men är vanlig hos eukaryoter. Eukaryotfossil kan hittas runt om i världen i bergarter som dateras tillbaka minst 1,5 miljarder år. Fossilerna från Northern Territory, varav de äldsta dateras tillbaka till 1,75 miljarder år sedan, är de äldsta kända eukaryotfossilen globalt.

Men den uråldriga världen där tidiga eukaryoter utvecklades förblir höljd i mystik, och många grundläggande aspekter av deras natur är okända.

Många typer av bakterier kan leva och växa utan syre. Men nästan alla eukaryoter som lever idag använder syre för överlevnad, eftersom aerob respiration – nedbrytning av mat med hjälp av syre – ger de enorma mängder energi som komplext liv kräver. Ändå har idén att syre alltid varit fördelaktigt för alla eukaryoter kommit under attack under senare år, efter överraskande upptäckter av gåtfulla eukaryoter som kan trivas utan syre. Det finns också allt fler bevis från den geologiska dokumentationen att när eukaryoter först utvecklades var syre troligen mycket knappare, vilket innebär att syrefria marina livsmiljöer skulle ha varit normen. Sammantaget har dessa observationer ifrågasatt antagandet att eukaryoter har varit beroende av syre sedan deras början.

Genetiska studier av levande mikrober som tillhör grupper som anses vara närmast förfäderna till den första eukaryoten kan ge viktiga insikter om eukaryoternas härkomst. Men endast fossilregistret kan berätta om för länge sedan utdöda linjer, och endast geologin kan erbjuda ett fönster in i den typ av värld dessa organismer levde i.

För den nya studien krossade forskarna prover av lerskifferkärnorna som förvaras i Darwin och löste upp dem. De identifierade över 12 000 fossil genom att analysera den organiska rest som lämnats kvar under ett mikroskop. De studerade också lerskiffern som fossilen bevarades i för att bättre förstå hur miljön var när sedimenten avsattes, vilket gav insikt om de livsmiljöer där dessa eukaryoter levde. Och genom att analysera kemin i dessa lerskiffrar kunde de avgöra om syre fanns i det uråldriga havsvattnet.

Resultaten visar att eukaryotfossil hittades i miljöer som sträcker sig från kustnära lerflak till öppet hav, men endast i prover som avsatts i syresatta miljöer. Prover från syrefria miljöer innehöll endast enkla, prokaryota former. Detta tyder på att även de äldsta kända eukaryoterna som levde