Необычные «газированные озера» могли стать толчком к зарождению жизни на Земле

Будь то микробы или обезьяны, организмам требуется фосфор — и в большом количестве. Это ключевой компонент ДНК и РНК, аденозинтрифосфата, который питает живые клетки, и липидов, которые составляют клеточные мембраны. Центральное положение этого элемента давно озадачивает исследователей, пытающихся понять раннюю жизнь, поскольку фосфор не является естественным изобилием в большинстве водных сред, где, вероятно, зародилась жизнь. Теперь три новых статьи поддерживают недавнее предположение о том, что вулканическая активность вокруг высокощелочных «содовых» озер — и, возможно, горячих источников — могла позволить фосфорным соединениям накопиться до уровней, необходимых для зарождения и распространения жизни.

«Это действительно хороший шаг вперед», — говорит Мартина Прейнер, химик, изучающий происхождение жизни в Институте наземной микробиологии Макса Планка, которая не участвовала ни в одном из новых исследований. Она предупреждает, что, хотя новые статьи предлагают правдоподобный путь к решению того, что давно известно как «проблема фосфора», исследователям все еще нужно показать, что соединения, образующиеся в этих условиях, на самом деле подвергаются реакциям, напоминающим элементарную биохимию. Геохимик Мэтью Пасек из Политехнического института Ренсселера соглашается, но добавляет: «Я думаю, что мы продвинулись гораздо дальше, чем были раньше».

Признание того, что доступность фосфора, вероятно, является узким местом на пути к жизни, относится еще к 1955 году, к работе американского биохимика Эддисона Гулика. Для возникновения жизни, вероятно, потребовались бы высокие концентрации соединений, таких как фосфат — атом фосфора, окруженный четырьмя атомами кислорода. В океанах, реках и большинстве озер концентрация фосфата обычно в 10 000 раз ниже.

Однако ранняя Земля была другой. Фосфор присутствует в вулканических лавах, и на молодой планете было гораздо больше вулканической активности, чем сегодня. В серии лабораторных исследований, опубликованных в сентябре 2024 года в Communications Earth & Environment , Пасек и его коллеги обнаружили, что реакции между богатыми железом вулканическими породами и водой при высоких температурах — сопоставимых с теми, которые наблюдаются в горячих источниках или гидротермальной среде на суше — превращают фосфор в ряд различных фосфатов . Если бы богатые фосфатом воды периодически высыхали, это могло бы концентрировать соединения в достаточном количестве для стимулирования жизненно важных биохимических реакций.

Содовые озера — еще одно место, где это может произойти, как впервые предположили ученые-геологи из Вашингтонского университета Дэвид Кэтлинг и Джонатан Тонер в PNAS в 2019 году. Такие озера также образуются в вулканической среде, в закрытых бассейнах, заполненных стоком, который выветрил натрий и карбонат — ингредиенты пищевой соды — из вулканических пород. При отсутствии оттока озера теряют воду только из-за испарения, которое со временем концентрирует химические вещества.

Кэтлинг и Тонер заметили, что наряду с содой в таких озерах сегодня часто высок уровень фосфата. В обычных озерах или океане ионы кальция легко связывают фосфат, запирая его в твердых минералах, которые становятся осадками. В содовых озерах, предположили исследователи, карбонаты связывают ионы кальция, прежде чем они могут удалить фосфат из воды. Но оставалось неясным, почему жизнь процветает в некоторых содовых озерах сегодня, но с трудом делает это в других, и что это может рассказать о зарождении жизни.

Чтобы выяснить это, Кэтлинг и его коллеги измерили точные поступления и стоки фосфора в паре небольших содовых озер в Британской Колумбии. В одном из них, называемом озером Гуденаф, были умеренно высокие уровни растворенного фосфата и обилие микробов и других форм жизни, которые извлекали фосфат из воды. Другое озеро, известное как Последний шанс, было настолько соленым, что не позволяло микробам собирать азот из воздуха, что подавляло их рост. Это приводит к чрезвычайно высоким уровням фосфата.

В статье, опубликованной в Geochimica et Cosmochimica Acta, Кэтлинг и его коллеги приходят к выводу, что до зарождения жизни содовые озера могли накопить достаточно фосфата, чтобы сделать жизнь возможной. «Этот тип озер был бы типичным на ранней Земле», — говорит Кэтлинг, поскольку вулканическая активность тогда была очень распространена.

Такие маленькие озера, как Last Chance и Goodenough, оба чуть больше мелких прудов, могли бы в лучшем случае предоставить ранней жизни опору, прежде чем их фосфаты истощились бы. «Это серьезный барьер», — говорит Крейг Уолтон из Кембриджского университета. Он и его коллеги недавно проанализировали гораздо более крупные содовые озера, включая озеро Моно в Калифорнии, длина которого составляет 21 километр, а глубина — до 17 метров. Уровень фосфатов там намного выше, чем в негазированных озерах, сообщили исследователи в новой статье, опубликованной в Science Advances, хотя они не соперничают с концентрацией фосфатов в прудах Британской Колумбии. Но Моно и его аналоги предлагают гораздо более стабильные поставки. «Эти крупные озера дают вам немного того и другого», — говорит Уолтон.

По его мнению, сочетание вулканической активности и содовых озер «довольно близко к геологическому решению» проблемы фосфора. Пасек считает, что гидротермальные бассейны, вероятно, тоже сыграли свою роль. «Есть место и для того, и для другого», — говорит он. Но с любым предложением о том, как жизнь зародилась миллиарды лет назад, Прейнер советует проявлять смирение. «Здесь есть неопределенность, с которой нам просто приходится жить».