Het leven zoals we het kennen vereist fosfor. Het is een van de zes belangrijkste chemische elementen van het leven, het vormt de ruggengraat van DNA- en RNA-moleculen, fungeert als de belangrijkste valuta voor energie in alle cellen en verankert de lipiden die cellen scheiden van hun omgeving.

Maar hoe leverde een levenloze omgeving op de vroege aarde dit belangrijke ingrediënt?

"Al 50 jaar wat 'het fosfaatprobleem' wordt genoemd, ' heeft studies over de oorsprong van het leven geplaagd, " zei eerste auteur Jonathan Toner, een onderzoeksassistent-professor in de aard- en ruimtewetenschappen van de Universiteit van Washington.

Het probleem is dat chemische reacties die ervoor zorgen dat de bouwstenen van levende wezens veel fosfor nodig hebben, maar fosfor is schaars. Een nieuwe UW-studie, gepubliceerd op 30 december in de Proceedings van de National Academy of Sciences , vindt een antwoord op dit probleem in bepaalde soorten meren.

De studie richt zich op carbonaatrijke meren, die zich vormen in droge omgevingen in depressies die water afvoeren uit het omringende landschap. Door de hoge verdampingssnelheden de wateren van het meer concentreren zich in zout en alkalisch, of hoge pH, oplossingen. zulke meren, ook bekend als alkalische of soda-meren, zijn te vinden op alle zeven continenten.

De onderzoekers keken eerst naar fosformetingen in bestaande carbonaatrijke meren, waaronder Mono Lake in Californië, Lake Magadi in Kenia en Lonar Lake in India.

Hoewel de exacte concentratie afhangt van waar de monsters zijn genomen en in welk seizoen, de onderzoekers ontdekten dat carbonaatrijke meren tot 50, 000 keer fosfor in zeewater, rivieren en andere soorten meren. Dergelijke hoge concentraties wijzen op het bestaan ​​van enkele veelvoorkomende, natuurlijk mechanisme dat fosfor in deze meren accumuleert.

Tegenwoordig zijn deze carbonaatrijke meren biologisch rijk en ondersteunen ze het leven variërend van microben tot de beroemde zwermen flamingo's van het Magadimeer. Deze levende wezens beïnvloeden de chemie van het meer. Dus onderzoekers deden laboratoriumexperimenten met flessen carbonaatrijk water met verschillende chemische samenstellingen om te begrijpen hoe de meren fosfor accumuleren, en hoe hoge fosforconcentraties kunnen komen in een levenloze omgeving.

De reden dat deze wateren een hoog fosforgehalte hebben, is hun carbonaatgehalte. In de meeste meren, calcium, die veel overvloediger is op aarde, bindt aan fosfor om vaste calciumfosfaatmineralen te maken, waar het leven geen toegang toe heeft. Maar in carbonaatrijke wateren, het carbonaat overtreft fosfaat om te binden met calcium, waardoor een deel van het fosfaat ongebonden blijft. Laboratoriumtests die ingrediënten in verschillende concentraties combineerden, tonen aan dat calcium zich bindt aan carbonaat en het fosfaat vrij beschikbaar laat in het water.

"Het is een duidelijk idee, wat zijn aantrekkingskracht is, "Zei Toner. "Het lost het fosfaatprobleem op een elegante en plausibele manier op."

Fosfaatniveaus kunnen nog hoger worden, tot een miljoen keer niveaus in zeewater, wanneer meerwater verdampt tijdens droge seizoenen, langs kustlijnen, of in poelen gescheiden van het hoofdgedeelte van het meer.

"De extreem hoge fosfaatniveaus in deze meren en vijvers zouden reacties hebben veroorzaakt die fosfor in de moleculaire bouwstenen van RNA plaatsen, eiwitten, en vetten, die allemaal nodig waren om het leven op gang te krijgen, " zei co-auteur David Catling, een UW-hoogleraar Aard- en ruimtewetenschappen.

De kooldioxide-rijke lucht op de vroege aarde, zo'n vier miljard jaar geleden, zou ideaal zijn geweest om dergelijke meren te creëren en ze in staat te stellen het maximale fosforgehalte te bereiken. Carbonaatrijke meren hebben de neiging zich te vormen in atmosferen met een hoog koolstofdioxidegehalte. Plus, koolstofdioxide lost op in water om zure omstandigheden te creëren die efficiënt fosfor uit rotsen vrijmaken.

"De vroege aarde was een vulkanisch actieve plaats, dus je zou veel vers vulkanisch gesteente hebben gehad dat reageert met kooldioxide en carbonaat en fosfor levert aan meren, Toner zei. "De vroege aarde had veel carbonaatrijke meren kunnen bevatten, die hoge fosforconcentraties zou hebben gehad om het leven op gang te brengen."

Een ander recent onderzoek door de twee auteurs toonde aan dat dit soort meren ook overvloedig cyanide kunnen leveren om de vorming van aminozuren en nucleotiden te ondersteunen, de bouwstenen van eiwitten, DNA en RNA. Voor die tijd hadden onderzoekers moeite om een ​​natuurlijke omgeving te vinden met voldoende cyanide om een ​​oorsprong van leven te ondersteunen. Cyanide is giftig voor mensen, maar niet voor primitieve microben, en is van cruciaal belang voor het soort chemie dat gemakkelijk de bouwstenen van het leven maakt.