Жизнь могла возникнуть из озер с высоким содержанием фосфора

Жизнь, как мы знаем, требует фосфора. Это один из шести основных химических элементов жизни, он образует основу молекул ДНК и РНК, действует как основная валюта для энергии во всех клетках и закрепляет липиды, которые отделяют клетки от окружающей их среды.

Но как безжизненная среда на ранней Земле поставляла этот ключевой ингредиент?

«В течение 50 лет то, что называется« проблемой фосфатов », мешало изучению происхождения жизни», — сказал первый автор Джонатан Тонер, профессор Вашингтонского университета в области наук о Земле и космических науках.

Проблема в том, что химические реакции, которые делают строительные блоки живых организмов, нуждаются в большом количестве фосфора, но фосфора недостаточно. Новое исследование UW, опубликованное 30 декабря в Трудах Национальной академии наук , находит ответ на эту проблему в некоторых типах озер.

Исследование сосредоточено на богатых карбонатом озерах, которые образуются в сухих условиях в пределах депрессий, которые воронки стекают из окружающего ландшафта. Из-за высокой скорости испарения воды в озере концентрируются в соленые и щелочные растворы или растворы с высоким pH. Такие озера, также известные как щелочные или содовые, встречаются на всех семи континентах.

Исследователи сначала изучили измерения фосфора в существующих богатых карбонатом озерах, в том числе в озере Моно в Калифорнии, озере Магади в Кении и озере Лонар в Индии.

Хотя точная концентрация зависит от того, где были взяты пробы и в какое время года, исследователи обнаружили, что в озерах, богатых карбонатом, уровень фосфора в 50 000 раз выше, чем в морской воде, реках и других типах озер. Такие высокие концентрации указывают на существование некоторого общего, естественного механизма, который накапливает фосфор в этих озерах.

Сегодня эти богатые карбонатом озера биологически богаты и поддерживают жизнь от микробов до знаменитых стай фламинго на озере Магади. Эти живые существа влияют на химию озера. Таким образом, исследователи провели лабораторные эксперименты с бутылками воды с высоким содержанием карбоната различного химического состава, чтобы понять, как озера накапливают фосфор и как высокие концентрации фосфора могут попасть в безжизненную среду.

Причина, по которой эти воды имеют высокое содержание фосфора, заключается в их содержании карбонатов. В большинстве озер кальций, который гораздо более распространен на Земле, связывается с фосфором, образуя твердые минералы фосфата кальция, к которым жизнь не может получить доступ. Но в карбонатных водах карбонат превосходит фосфат, связываясь с кальцием, оставляя часть фосфата непривязанной. Лабораторные тесты, которые объединяют ингредиенты в различных концентрациях, показывают, что кальций связывается с карбонатом и оставляет фосфат свободно доступным в воде.

«Это простая идея, которая является ее привлекательной, — сказал Тонер. «Это решает проблему фосфатов элегантным и правдоподобным способом».

Уровни фосфатов могут подняться еще выше, до уровня, превышающего в миллион раз уровень морской воды, когда воды озера испаряются в засушливые сезоны, вдоль береговой линии или в бассейнах, отделенных от основной части озера.

«Чрезвычайно высокий уровень фосфатов в этих озерах и прудах привел бы к реакциям, которые превращали фосфор в молекулярные строительные блоки РНК, белков и жиров, и все это было необходимо для развития жизни», — сказал соавтор Дэвид Кэтлинг. UW профессор наук о Земле и космосе.

Богатый углекислым газом воздух на ранней Земле, около четырех миллиардов лет назад, был бы идеальным для создания таких озер и позволил бы им достичь максимального уровня фосфора. Озера, богатые карбонатами, имеют тенденцию образовываться в атмосфере с высоким содержанием углекислого газа. Кроме того, диоксид углерода растворяется в воде, создавая кислотные условия, которые эффективно выделяют фосфор из горных пород.

«Ранняя Земля была вулканически активным местом, поэтому у вас было бы много свежей вулканической породы, реагирующей с углекислым газом и снабжающей озера карбонатом и фосфором», — сказал Тонер. «На ранней Земле могло быть много богатых карбонатами озер, в которых концентрация фосфора была бы достаточно высокой, чтобы начать жизнь».

Другое недавнее исследование, проведенное этими двумя авторами, показало, что эти типы озер могут также обеспечить обильные цианиды для поддержки образования аминокислот и нуклеотидов, строительных блоков белков, ДНК и РНК. До этого исследователи изо всех сил пытались найти природную среду с достаточным количеством цианида, чтобы поддержать происхождение жизни. Цианид является ядовитым для человека, но не для примитивных микробов, и имеет решающее значение для химического состава, который легко превращает строительные блоки в жизнь.

Исследование финансировалось Сотрудничеством Фонда Саймонса по происхождению жизни.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Вашингтонским университетом . Оригинал, написанный Ханной Хикки. Примечание: содержимое может быть отредактировано по стилю и длине.