De första livsformerna på jorden behövde en pu pu-tallrik med ingredienser för att existera, men en av dessa ingredienser, mineralen fosfor, har länge förundrat forskare. Ingen visste hur fosfor, en av de sex huvudsakliga kemiska elementen i livet, blev tillräckligt rik på den tidiga jorden för att livet brast ut.
Nu kan forskare ha svaret; sjöar som trivdes på torra platser på den tidiga jorden spelade troligen en nyckelroll för att tillhandahålla fosfor, skrev forskare i en ny studie publicerad 30 december i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences.
Fyndet förklarar hur detta knappa mineral blev rikligt i jordens urbensoppa. Kortare sagt, det hjälper forskare att förstå hur livet troligt uppstod. "Under 50 år har det som kallas" fosfatproblemet "plågas studier om livets ursprung," säger studien medforskare Jonathan Toner, en forskarassistent professor i jord- och rymdvetenskap vid University of Washington, i ett uttalande.
Fosfor är avgörande för livet som vi känner till det. Mineralen hjälper till att bilda ryggraden i DNA- och RNA-molekyler; förankrar lipider eller fetter som skiljer celler från miljön runt dem; och hjälper till att tillhandahålla livsenergi, som fungerar som huvudkomponenten i molekyler såsom adenosintrifosfat eller ATP.
För att undersöka "fosfatproblemet" tittade forskarna i den nya studien på karbonatrika sjöar, som finns i torra miljöer. Dessa sjöar, även kända som sodavatten, bildas när vatten från det omgivande landskapet rinner in i en depression. Avdunstning förvandlar sedan sjövatten salt och alkaliskt (vilket betyder att det har ett högt pH).
Forskarna gjorde fosformätningar i sodavatten runt hela världen, inklusive i Kaliforniens sjöar i Mono och Searles, Kenyas sjö Magadi och Indiens Lonar-sjö.
Medan fosforkoncentrationerna varierade efter säsong hade dessa karbonatrika sjöar upp till 50 000 gånger mer fosfor än det som finns i havsvatten, floder och andra typer av sjöar, enligt Toner och studerar medforskare David Catling, professor i jord och rymd vetenskaper vid University of Washington.
Dessa höga koncentrationer antydde att en naturlig process tillät fosfor att samlas i dessa sjöar, säger forskarna. Men det var svårt att experimentera på själva sjöarna, eftersom de är värd för en fantastisk mängd djur som påverkar den kemiska sammansättningen av varje sjö. Afrikas Magadi-sjö, till exempel, är hem för en berömd flock flamingos.
För att förstå hur en livlös sjö skulle kunna ge upphov till liv experimenterade forskarna på karbonatrikt vatten i flaskor.
Teamet noterade att sodavatten på grund av karbonatinnehållet har höga fosfornivåer. Normalt binds kalcium i sjöar till fosfor för att göra fasta mineraler av kalciumfosfat, vilket gör deras bestående mineraler otillgängliga för livet. Men i sjöar med höga karbonatnivåer överträffar karbonat fosfat i bindning till kalcium. Som ett resultat är en del av fosfatet fritt tillgängligt i vattnet enligt experiment gjorda av Toner och Catling.
"Det är en enkel idé, vilket är dess överklagande," sade Toner. "Det löser fosfatproblemet på ett elegant och rimligt sätt."
'Detta är årstiden
Under torra säsonger kan fosfatnivåer spikas i sodavatten, vilket innebär att dessa kroppar kan ha fosfatnivåer 1 miljon gånger högre än i havsvatten.
"De extremt höga fosfatnivåerna i dessa sjöar och dammar skulle ha drivit reaktioner som satte fosfor i de molekylära byggstenarna i RNA, proteiner och fetter, som alla behövdes för att få livet igång," säger Catling i uttalandet.
För ungefär 4 miljarder år sedan skulle den tidiga jordens koldioxidrika luft ha bidragit till att skapa sådana sjöar med höga fosfornivåer, säger forskarna. Det beror på att karbonatrika sjöar ofta bildas där atmosfären har höga koldioxidnivåer. Dessutom upplöses koldioxid i vatten, vilket gör den surare, vilket i sin tur frisätter fosfor från stenar.
"Den tidiga jorden var ett vulkaniskt aktivt ställe, så du skulle ha fått massor av färsk vulkanisk sten som reagerade med koldioxid och levererat karbonat och fosfor till sjöar," sade Toner. "Den tidiga jorden kunde ha varit värd för många karbonatrika sjöar, som skulle ha haft tillräckligt höga fosforkoncentrationer för att få livet igång."
Denna studie kompletterar en annan uppsats som de två forskarna publicerade 2019, som visar att sodavatten också kan tillhandahålla riklig cyanid, en kemikalie som är dödlig för människor men inte till primitiva mikrober. Cyanid kunde ha stött bildandet av aminosyror och nukleotider, byggstenarna för proteiner, DNA och RNA - i huvudsak de viktigaste ingredienserna i livet, sade forskarna.
