В течение 50 лет то, что называется «проблемой фосфатов», мешало изучению происхождения жизни.
Жизнь, как известно, требует фосфора. Как один из шести основных химических элементов жизни, он составляет основу молекул ДНК и РНК. Но откуда взялась эта стихия на безжизненной ранней Земле?
"В течение 50 лет так называемая "фосфатная проблема" препятствовала изучению происхождения жизни", - говорит Джонатан Тонер, ведущий автор исследования из Вашингтонского университета (США).
Суть этой проблемы заключается в отсутствии необходимого количества фосфора, необходимого для химических реакций, лежащих 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 сосредоточилась на богатых карбонатом озерах, которые образуются в сухих условиях на глубинах, которые собирают воду из окружающего ландшафта. Благодаря быстрому испарению воды в озере концентрируются щелочные растворы с высоким рН. Такие озера соды встречаются на всех семи континентах.
Путем измерения содержания фосфора существующих карбонат богаче озер, включая озеро моно в США, озеро Magadi в Кении и Lonar Лейк в Индии, исследователи обнаружили, что богатые карбонатом водохранилища являются в 50000 раз выше, чем морская вода, реки и другие виды озера. Значительные концентрации указывают на существование общего, естественного механизма, который накапливает в них фосфор.
Следующим шагом были лабораторные эксперименты с бутылками с водой, богатыми карбонатом, с различными химическими составами, которые позволили нам определить, как озера накапливают фосфор и как его высокие концентрации могут попасть в безжизненную среду.
Ответ на первый вопрос-содержание карбонатов. В большинстве озер кальций, который гораздо чаще встречается на земле, связывает фосфор и образует твердые минералы фосфата кальция, которых жизнь не может достичь. Но в изученных водах карбонат количественно превосходит фосфат в сочетании с кальцием и высвобождает некоторые из фосфатов, что было подтверждено в лаборатории.
"Мы нашли элегантное и правдоподобное решение проблемы фосфата", - говорит Джонатан Тонер.
Концентрация фосфора может подняться еще выше, до уровня, в миллион раз превышающего морскую воду. В сухой сезон, когда озерная вода испаряется, доля фосфатов резко увеличивается вдоль побережья или в бассейнах, отделенных от основной части озера.
"Чрезвычайно высокие концентрации фосфата в этих озерах и прудах привели бы к реакциям, которые превратили фосфор в молекулярные строительные блоки РНК, белков и жиров, необходимых для развития жизни", – объясняет Дэвид Кэтлинг, соавтор исследования Вашингтонского университета.
Озера, богатые карбонатами, как правило, образуются в атмосфере с высоким содержанием углекислого газа. Воздух, наполненный им на земле, был бы идеальным для создания таких резервуаров и позволил бы им достичь максимального уровня фосфора. Кроме того, углекислый газ растворяется в воде и создает кислые условия, которые эффективно выделяют фосфор из горных пород.
"Ранняя Земля была вулканически активна с обилием свежей магмы, которая реагировала с углекислым газом и снабжала озера карбонатом и фосфором. Около четырех миллиардов лет назад, возможно, было много богатых карбонатом озер, где концентрация фосфора была бы достаточно высокой для начала жизни", - заключил Джонатан Тонер.