Charles Darwin zaproponował, że życie mogło powstać w „małym, ciepłym stawie” przy odpowiednim koktajlu chemikaliów i energii. Z badania przeprowadzonego na Uniwersytecie Waszyngtońskim, opublikowanego w tym miesiącu w Communications Earth & Environment, wynika, że płytkie „jezioro sodowe” w zachodniej Kanadzie może spełnić te wymagania. Odkrycia dostarczają nowych dowodów na to, że życie mogło wyłonić 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 opisano w hitowym hicie „Lekcje chemii”, cząsteczki biologiczne można nakłonić do utworzenia z cząsteczek nieorganicznych. W rzeczywistości, długo po prawdziwym odkryciu z lat pięćdziesiątych XX wieku, w którym dokonano aminokwasów, elementów budulcowych białek, nowsze prace odsłoniły elementy budulcowe RNA. Ale ten następny krok wymaga wyjątkowo wysokich stężeń fosforanów.
Fosforan tworzy „szkielet” RNA i DNA, a także jest kluczowym składnikiem błon komórkowych. Stężenia fosforanów wymagane do wytworzenia tych biomolekuł w laboratorium są od setek do miliona razy wyższe niż poziomy zwykle występujące w rzekach, jeziorach lub oceanach. Nazywa się to „problemem fosforanów” związanym z pojawieniem się życia – problemem, który mogły rozwiązać jeziora sodowe.
„Myślę, że te jeziora sodowe stanowią odpowiedź na problem fosforanów” – powiedział starszy autor David Catling, profesor nauk o Ziemi i kosmosie na Uniwersytecie Warszawskim. „Nasza odpowiedź jest pełna nadziei: to środowisko powinno występować na wczesnej Ziemi i prawdopodobnie na innych planetach, ponieważ jest to po prostu naturalny wynik sposobu, w jaki zbudowane są powierzchnie planet i sposobu, w jaki działa chemia wody”.
Jeziora sodowe zawdzięczają swoją nazwę wysokiemu poziomowi rozpuszczonego sodu i węglanów, podobnie jak rozpuszczona soda oczyszczona. Dzieje się tak w wyniku reakcji zachodzących pomiędzy wodą a znajdującymi się pod nią skałami wulkanicznymi. Jeziora sodowe mogą również zawierać wysoki poziom rozpuszczonego fosforanu.
Poprzednie badania UW przeprowadzone w 2019 r. 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 typowych wodach.
Na potrzeby nowego badania zespół postanowił zbadać takie środowisko na Ziemi. Przez przypadek najbardziej obiecujący kandydat znajdował się w niewielkiej odległości. Na końcu pracy magisterskiej z lat 90. XX w. ukryty był najwyższy znany w literaturze naukowej poziom naturalnego fosforanu w jeziorze Last Chance w głębi lądu w Kolumbii Brytyjskiej w Kanadzie, około siedmiu godzin jazdy od Seattle.
Jezioro ma głębokość około 1 metra i ma mętną wodę o zmiennym poziomie. Znajduje się na terenie federalnym, na końcu zakurzonej, gruntowej drogi na płaskowyżu Cariboo, w kraju hodowlanym w Kolumbii Brytyjskiej. Płytkie jezioro spełnia wymagania jeziora sodowego: jezioro położone nad skałą wulkaniczną (w tym przypadku bazaltem) w połączeniu z suchą, wietrzną atmosferą, która odparowuje napływającą wodę, aby utrzymać niski poziom wody i koncentruje 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 wulkaniczne są powszechne na powierzchniach planet, więc ten sam skład chemiczny wody mógł występować nie tylko na wczesnej Ziemi, ale także na wczesnym Marsie i wczesnej Wenus, jeśli była ona płynna. woda była obecna” – powiedział główny autor Sebastian Haas, doktor habilitowany UW w dziedzinie nauk o Ziemi i kosmosie.
Zespół UW odwiedził jezioro Last Chance Lake trzykrotnie w latach 2021–2022. Obserwacje zbierał wczesną zimą, kiedy jezioro było pokryte lodem; wczesnym latem, kiedy źródła zasilane deszczem i strumienie zasilane roztopami śniegu powodują najwyższy poziom wody; oraz późnym latem, kiedy jezioro prawie całkowicie wyschło.
„To pozornie suche solne równinę, ale są tam zakamarki i szczeliny. Pomiędzy solą a osadem znajdują się małe skupiska wody, które są naprawdę bogate w rozpuszczony fosforan” – powiedział Haas. „Chcieliśmy zrozumieć, dlaczego i kiedy mogło się to zdarzyć na starożytnej Ziemi, aby zapewnić kolebkę początków życia”.
Podczas wszystkich trzech wizyt zespół zebrał próbki wody, osadu jeziornego i skorupy solnej, aby poznać skład chemiczny jeziora.
W większości jezior rozpuszczony fosforan szybko łączy się z wapniem, tworząc fosforan wapnia, nierozpuszczalny materiał tworzący szkliwo zębów. Spowoduje to usunięcie fosforanów z wody. Ale w jeziorze Last Chance wapń łączy się z dużą ilością węglanów i magnezu, tworząc dolomit, ten sam minerał, który tworzy malownicze pasma górskie. Reakcję tę przewidziano w poprzednich pracach modelowych i potwierdzono, gdy w osadach jeziora Last Chance Lake występowała duża ilość dolomitu. Kiedy wapń zamienia się w dolomit i nie pozostaje w wodzie, fosforanowi brakuje partnera wiążącego – w związku z czym 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 o zaledwie 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 zużywa fosforanów z jeziora Last Chance.
W jeziorze Goodenough znajdują się skupiska sinic, które pobierają lub „wiążą” azot z powietrza. Cyjanobakterie, podobnie jak wszystkie inne formy życia, również potrzebują fosforanów, a ich rosnąca populacja zużywa część fosforanów dostępnych w wodzie jeziora. Jednak jezioro Last Chance jest tak słone, że utrudnia życie organizmom wykonującym energochłonną pracę polegającą na wiązaniu azotu atmosferycznego. Jezioro ostatniej szansy jest siedliskiem niektórych glonów, ale nie ma wystarczającej ilości dostępnego azotu, aby zapewnić więcej życia, co umożliwia gromadzenie się fosforanów. To także czyni go lepszym odpowiednikiem martwej Ziemi.
„Te nowe odkrycia pomogą badaczom zajmującym się pochodzeniem 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 Poppy Sinclair, absolwentka UW na kierunku nauk o Ziemi i kosmosie. W pobieraniu próbek pomagali także absolwenci kierunku Astrobiologia UW.