Płytkie jeziora sodowe wydają się być kolebką życia na Ziemi

Charles Darwin zasugerował, że życie może powstać w „małym, ciepłym stawie” przy odpowiedniej mieszance substancji chemicznych i energii. Badanie Uniwersytetu Waszyngtońskiego, opublikowane w tym miesiącu w czasopiśmie Communications Earth & Environment, sugeruje, że płytkie „jezioro sodowe” w zachodniej Kanadzie wygląda obiecująco, aby sprostać tym wymaganiom. Wyniki dostarczają nowego wsparcia dla możliwości, że życie wyłoniło się z jezior na wczesnej Ziemi około 4 miliardy lat temu.

Naukowcy wiedzą, że w odpowiednich warunkach złożone cząsteczki życia mogą pojawić się spontanicznie. Jak niedawno pokazano w przebojowym filmie „Lekcje chemii”, cząsteczki biologiczne można wyodrębnić z cząsteczek nieorganicznych. W rzeczywistości, długo po otrzeźwiającym odkryciu w latach pięćdziesiątych XX wieku aminokwasów, elementów budulcowych białek, współczesne badania pozwoliły na wykrycie elementów budulcowych kwasu rybonukleinowego (RNA). Ale ten następny krok wymaga bardzo wysokich stężeń fosforanów.

Fosforan tworzy „szkielet” RNA i DNA, a także jest głównym składnikiem błon komórkowych. Stężenia fosforanów potrzebne do wytworzenia tych biomolekuł w laboratorium są setki do miliona razy wyższe niż poziomy zwykle występujące w rzekach, jeziorach lub oceanach. Nazywa się to „problemem fosforanowym” związanym z pojawieniem się życia i problemem, który mogły rozwiązać jeziora sodowe.

„Myślę, że te jeziora sodowe stanowią rozwiązanie problemu fosforanów” – powiedział główny autor David Catling, profesor nauk o Ziemi i kosmosie na Uniwersytecie Wisconsin. „Nasza odpowiedź jest pełna nadziei: to środowisko musiało istnieć na wczesnej Ziemi i być może na innych planetach, ponieważ jest naturalną konsekwencją sposobu, w jaki powstają powierzchnie planet i sposobu, w jaki działa chemia wody”.

Jeziora sodowe zawdzięczają swoją nazwę zawartości rozpuszczonego sodu i węglanów, podobnie jak rozpuszczona soda oczyszczona. Dzieje się tak w wyniku interakcji między wodą a znajdującymi się pod nią skałami wulkanicznymi. Jeziora sodowe mogą również zawierać duże ilości rozpuszczonych fosforanów.

Znaczniki wskazują lokalizację jezior (51°19'44N, 121°38'18W) oraz stacji poboru próbek GL1–GL5 i LC1–LC10. © Mapbox, © OpenStreetMap.

Poprzednie badania przeprowadzone przez Uniwersytet Wisconsin w 2019 roku wykazały, że teoretycznie w jeziorach sodowych mogą wystąpić warunki chemiczne umożliwiające pojawienie się życia. Naukowcy połączyli modele chemiczne z eksperymentami laboratoryjnymi, aby wykazać, że naturalne procesy teoretycznie mogą powodować koncentrację fosforanów w tych jeziorach do poziomu nawet milion razy wyższego niż w zwykłej wodzie.

Na potrzeby nowego badania zespół postanowił zbadać takie środowisko na Ziemi. Przypadkowo obiecujący kandydat znajdował się zaledwie kilka minut jazdy stąd. Pod koniec mojej pracy magisterskiej w latach 90. najwyższy poziom naturalnego fosforanu znany w literaturze naukowej stwierdzono w jeziorze Last Chance w głębi Kolumbii Brytyjskiej w Kanadzie, około siedmiu godzin jazdy od Seattle.

Jezioro ma głębokość około jednej stopy i zawiera mętną wodę o zmiennym poziomie. Znajduje się na terenie federalnym, na końcu zakurzonej, gruntowej drogi na płaskowyżu Caribou, w kraju bydła w Kolumbii Brytyjskiej. Płytkie jezioro spełnia wymagania jeziora sodowego: jeziora położonego nad skałą wulkaniczną (w tym przypadku bazaltem) w połączeniu z suchą, burzową atmosferą, która odparowuje napływającą wodę, aby utrzymać niski poziom wody i skoncentrować rozpuszczone związki w jeziorze.

Analiza opublikowana w nowym artykule sugeruje, że jeziora sodowe są mocnym kandydatem do pojawienia się życia na Ziemi. Mogą być także kandydatami do życia na innych planetach.

„Badaliśmy środowisko naturalne, które powinno być wspólne w całym Układzie Słonecznym. Skały magmowe są szeroko rozpowszechnione na powierzchniach planet, więc mógł wystąpić taki sam skład chemiczny wody” – powiedział główny autor Sebastian Haas, doktor habilitowany na Uniwersytecie Wisconsin. „Nie. tylko na wczesnej Ziemi, ale także na wczesnym Marsie i wczesnej Wenus, jeśli istniała woda w stanie ciekłym.” W Earth and Space Sciences.

Zespół z Uniwersytetu Wisconsin odwiedził jezioro Last Chance Lake trzykrotnie w latach 2021–2022. Obserwacje zbierał wczesną zimą, kiedy jezioro było pokryte lodem; Wczesnym latem, kiedy woda w źródłach zasilanych deszczem i strumieniach zasilanych przez topniejący śnieg osiąga najwyższy poziom; Późnym latem, kiedy jezioro było prawie całkowicie wyschnięte.

„Mamy suchą sól, która wygląda płasko, ale ma zakamarki i szczeliny. Pomiędzy solą a osadem znajdują się małe skupiska wody z dużą zawartością rozpuszczonego fosforanu” – powiedział Haas. „Chcieliśmy zrozumieć, dlaczego i kiedy mogło się to wydarzyć na starożytnej Ziemi.” „Aby zapewnić kolebkę początkom życia”.

Sebastian Haas trzyma kawałek skorupy solnej z jeziora Last Chance z zielonymi glonami pośrodku i czarnym osadem na dnie. – David Catling/Uniwersytet Waszyngtoński

Podczas wszystkich trzech wizyt zespół zebrał próbki wody, osadów jeziornych i skorupy solnej, aby poznać skład chemiczny jeziora.

W większości jezior rozpuszczony fosforan szybko łączy się z wapniem, tworząc fosforan wapnia, nierozpuszczalną substancję tworzącą szkliwo zębów. Spowoduje to usunięcie fosforanów z wody. Ale w jeziorze Last Chance wapń łączy się z obfitymi węglanami i magnezem, tworząc dolomit, ten sam minerał, który tworzy malownicze pasma górskie. Reakcję tę przewidywano na podstawie wcześniejszych prac modelowych i potwierdzono, gdy w osadach jeziora Last Chance występowały duże ilości dolomitu. Kiedy wapń zamienia się w dolomit i nie pozostaje w wodzie, fosforanowi brakuje partnera wiązania, więc jego stężenie wzrasta.

„To badanie dostarcza coraz większej liczby dowodów na to, że jeziora sodowane w procesie odparowania to środowiska spełniające wymagania dotyczące chemii pochodzenia życia poprzez gromadzenie kluczowych składników w wysokich stężeniach” – powiedział Catling.

W badaniu porównano także jezioro Last Chance z jeziorem Goodenough, jeziorem o głębokości około 3 stóp z czystszą wodą i innym składem chemicznym, oddalonym zaledwie o dwie minuty spacerem, aby dowiedzieć się, co sprawia, że ​​jezioro Last Chance jest wyjątkowe. Naukowcy zastanawiali się, dlaczego życie obecne w pewnym stopniu we wszystkich współczesnych jeziorach nie wykorzystywało fosforanów w jeziorze Last Chance.

Jezioro Goodenough zawiera maty sinic, które ekstrahują lub „wiążą” azot z powietrza. Sinice, podobnie jak wszystkie inne formy życia, również wymagają fosforanów, a ich rosnąca populacja zużywa część fosforanów dostępnych w wodzie jeziora. Jednak jezioro Last Chance jest tak słone, że hamuje rozwój organizmów wykonujących energochłonną pracę polegającą na wiązaniu azotu atmosferycznego. Jezioro Last Chance jest siedliskiem glonów, ale nie ma wystarczającej ilości azotu, aby zapewnić więcej życia, co powoduje gromadzenie się fosforanów. To także czyni go lepszym odpowiednikiem martwej Ziemi.

„Te nowe odkrycia pomogą badaczom pochodzenia życia, którzy albo odtwarzają te reakcje w laboratorium, albo szukają potencjalnie nadających się do zamieszkania środowisk na innych planetach” – powiedział Catling.

Badania sfinansowała Fundacja Simonsa. Drugą współautorką jest Kimberly Bobbie Sinclair, absolwentka UW na kierunku nauki o Ziemi i kosmosie. W zbieraniu próbek pomogli także absolwenci programu astrobiologii na Uniwersytecie Wisconsin.

Biogeochemiczne wyjaśnienia największego na świecie jeziora bogatego w fosforany, odpowiednika pochodzenia życiaKomunikacja, Ziemia i środowisko (otwarty dostęp)

Astrobiologia