23.3K
Жизнь, как мы знаем, требует фосфора. Будучи одним из шести основных химических элементов жизни, он образует основу молекул ДНК и РНК. Но откуда взялся этот элемент на безжизненной ранней Земле?
«В течение 50 лет то, что называется «проблемой фосфатов», мешало изучению происхождения жизни», – рассказывает Джонатан Тонер, ведущий автор исследования из Вашингтонского университета (США).
Суть этой проблемы заключается в отсутствии необходимого количества фосфора, требуемого для химических реакций, которые лежат в основе строительных блоков живых организмов. Однако исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, находит решение в некоторых типах озер.
Команда ученых сосредоточилась на богатых карбонатом озерах, которые образуются в сухих условиях во впадинах, собирающих воду из окружающего ландшафта. Из-за быстрого испарения воды в озере концентрируются щелочные растворы с высоким pH. Такие содовые озера встречаются на всех семи континентах.
Измерив содержание фосфора в существующих богатых карбонатом озерах, в том числе в озере Моно в США, озере Магади в Кении и озере Лонар в Индии, исследователи обнаружили, что в водоемах, богатых карбонатом, уровень фосфора в 50 000 раз выше, чем в морской воде, реках и других типах озер. Значительные концентрации указывают на существование некоторого общего, естественного механизма, который накапливает в них фосфор.
Следующим этапом стали лабораторные эксперименты с бутылками богатой карбонатом воды с различным химическим составом, позволившие установить, как озера накапливают фосфор и как его высокие концентрации могут попасть в безжизненную среду.
Ответ на первый вопрос заключается в содержании карбонатов. В большинстве озер кальций, который гораздо более распространен на Земле, связывает фосфор, образуя твердые минералы фосфата кальция, к которым жизнь не может получить доступ. Но в изученных водах карбонат количественно превосходит фосфат, объединяясь с кальцием и оставляя часть фосфатов свободными, что и было подтверждено в лаборатории.
«Мы нашли элегантное и правдоподобное решение проблемы фосфатов», – считает Джонатан Тонер.
Концентрация фосфора может подняться еще выше, до уровня, превышающего в миллион раз уровень морской воды. В засушливые сезоны, когда воды озера испаряются, доля фосфатов вдоль береговой линии или в бассейнах, отделенных от основной части озера, резко повышается.
«Чрезвычайно высокий уровень фосфатов в этих озерах и прудах привел бы к реакциям, которые превращали фосфор в молекулярные строительные блоки РНК, белков и жиров, необходимых для развития жизни», – объясняет Дэвид Кэтлинг, соавтор исследования из Вашингтонского университета.
Озера, богатые карбонатами, имеют тенденцию образовываться в атмосфере с высоким содержанием углекислого газа. Наполненный им воздух на ранней Земле был бы идеальным для создания таких водоемов и позволил бы им достичь максимального уровня фосфора. Кроме того, диоксид углерода растворяется в воде, создавая кислотные условия, которые эффективно выделяют фосфор из горных пород.
«Ранняя Земля была вулканически активна с избытком свежей магмы, реагирующей с углекислым газом и снабжающей озера карбонатом и фосфором. Около четырех миллиардов лет назад здесь могло быть много богатых карбонатами озер, в которых концентрация фосфора была бы достаточно высокой для зарождения жизни», – заключил Джоннатан Тонер.