Жизнь, какой мы ее знаем, требует фосфора. Это один из шести основных химических элементов жизни, он образует основу молекул ДНК и РНК, выступает в качестве основной валюты для получения энергии во всех клетках и закрепляет липиды, отделяющие клетки от окружающей их среды.
Но каким образом безжизненная среда на ранней Земле поставляла этот ключевой ингредиент?
«В течение 50 лет так называемая «проблема фосфатов» мешала изучению происхождения жизни», - сказал первый автор Джонатан Тонер, доцент-исследователь Вашингтонского университета в области наук о Земле и космосе.
Проблема в том, что для химических реакций, из которых строятся живые существа, требуется много фосфора, а фосфора мало. Новое исследование UW, опубликованное 30 декабря в Proceedings of the National Academy of Sciences, находит ответ на эту проблему в определенных типах озер.
Исследование сосредоточено на богатых карбонатами озерах, которые образуются в засушливой среде во впадинах, через которые вода стекает с окружающего ландшафта. Из-за высокой скорости испарения воды озера концентрируются в соленые и щелочные растворы или растворы с высоким pH. Такие озера, также известные как щелочные или содовые озера, встречаются на всех семи континентах.
Исследователи сначала рассмотрели измерения содержания фосфора в существующих богатых карбонатами озерах, включая озеро Моно в Калифорнии, озеро Магади в Кении и озеро Лонар в Индии.
Хотя точная концентрация зависит от того, где были взяты пробы и в какое время года, исследователи обнаружили, что в богатых карбонатом озерах уровень фосфора в 50 000 раз выше, чем в морской воде, реках и других типах озер. Столь высокие концентрации указывают на существование какого-то общего природного механизма накопления фосфора в этих озерах.
Сегодня эти богатые карбонатом озера биологически богаты и поддерживают жизнь, начиная от микробов и заканчивая знаменитыми стаями фламинго на озере Магади. Эти живые существа влияют на химический состав озера. Поэтому исследователи провели лабораторные эксперименты с бутылками с водой, богатой карбонатами, с разным химическим составом, чтобы понять, как в озерах накапливается фосфор и насколько высока концентрация фосфора в безжизненной среде.
Причина, по которой в этих водах высокое содержание фосфора, заключается в карбонатности. В большинстве озер кальций, которого на Земле гораздо больше, связывается с фосфором, образуя твердые минералы фосфата кальция, недоступные для жизни. Но в воде, богатой карбонатами, карбонат вытесняет фосфат за связывание с кальцием, оставляя часть фосфата неприсоединенной. Лабораторные тесты, сочетающие ингредиенты в разных концентрациях, показывают, что кальций связывается с карбонатом и оставляет фосфат свободно доступным в воде.
«Это простая идея, в чем ее привлекательность», - сказал Тонер. «Это решает проблему фосфатов элегантным и правдоподобным способом».
Уровни фосфатов могут подняться еще выше, в миллион раз выше, чем в морской воде, когда вода озера испаряется в засушливые сезоны, вдоль береговой линии или в бассейнах, отделенных от основной части озера.
«Чрезвычайно высокий уровень фосфатов в этих озерах и прудах должен был спровоцировать реакции, в результате которых фосфор превратился в молекулярные строительные блоки РНК, белков и жиров, все из которых необходимы для поддержания жизни», - сказал соавтор. автор Дэвид Кэтлинг, профессор UW в области наук о Земле и космосе.
Богатый углекислым газом воздух на ранней Земле около четырех миллиардов лет назад идеально подходил для создания таких озер и достижения максимального уровня фосфора. Богатые карбонатом озера, как правило, образуются в атмосфере с высоким содержанием углекислого газа. Кроме того, углекислый газ растворяется в воде, создавая кислую среду, которая эффективно высвобождает фосфор из горных пород.
«Ранняя Земля была вулканически активным местом, поэтому у вас было много свежих вулканических пород, реагирующих с углекислым газом и снабжающих озера карбонатом и фосфором», - сказал Тонер. «На ранней Земле могло быть много озер, богатых карбонатами, в которых концентрация фосфора была достаточно высокой, чтобы зародилась жизнь».
Еще одно недавнее исследование, проведенное двумя авторами, показало, что эти типы озер также могут содержать большое количество цианида для поддержки образования аминокислот и нуклеотидов, строительных блоков белков, ДНК и РНК. До этого исследователи изо всех сил пытались найти естественную среду с достаточным количеством цианида, чтобы поддерживать зарождение жизни. Цианид ядовит для людей, но не для примитивных микробов, и имеет решающее значение для той химии, которая легко создает строительные блоки жизни.
Исследование финансировалось организацией Simons Foundation’s Collaboration on the Origins of Life.