Проблема того, как фосфор стал универсальным компонентом жизни на Земле, возможно, была решена исследователями из Кембриджского и Кейптаунского университетов, которые воссоздали в лаборатории первозданную морскую воду, содержащую этот элемент.
Их результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, показывают, что морская вода могла быть недостающим источником фосфата, а это означает, что он мог быть доступен в достаточно больших масштабах для жизни, не требуя особых условий окружающей среды.
«Это может действительно изменить наше представление об окружающей среде, в которой впервые зародилась жизнь», — сказал соавтор исследования, профессор Ник Тоска из Кембриджского отделения наук о Земле.
Исследование, которое возглавил Мэтью Брэди, доктор философии из Кембриджского факультета наук о Земле, показывает, что ранняя морская вода могла содержать от тысячи до десяти тысяч раз больше фосфатов, чем предполагалось ранее, если вода содержала много железа.
Фосфат является важным компонентом для создания строительных блоков жизни, образуя ключевой компонент ДНК и РНК, но это один из наименее распространенных элементов в космосе по отношению к его биологической важности. В своей минеральной форме фосфат также относительно недоступен — его может быть трудно растворить в воде, чтобы жизнь могла его использовать.
Ученые давно подозревали, что фосфор стал частью биологии на раннем этапе, но только недавно они начали признавать роль фосфата в управлении синтезом молекул, необходимых для жизни на Земле. «Эксперименты показывают, что с его помощью происходят удивительные вещи — химики могут синтезировать важные биомолекулы, если в растворе много фосфата», — сказал Тоска.
Но точная среда, необходимая для производства фосфата, была предметом обсуждения. Некоторые исследования показали, что при изобилии железа фосфаты должны быть еще менее доступны для жизни. Это, однако, вызывает споры, потому что на ранней Земле была бедная кислородом атмосфера, где железо было бы широко распространено.
Чтобы понять, как жизнь стала зависеть от фосфатов и в какой среде мог образоваться этот элемент, они провели геохимическое моделирование, чтобы воссоздать ранние условия на Земле.
«Удивительно видеть, как простые эксперименты в бутылке могут перевернуть наши представления об условиях, существовавших на ранней Земле», — сказал Брейди.
В лаборатории они приготовили морскую воду с тем же химическим составом, который, как считается, существовал в ранней истории Земли. Они также проводили свои эксперименты в атмосфере, лишенной кислорода, как и на древней Земле.
Результаты команды показывают, что сама морская вода могла быть основным источником этого важного элемента.
Ранее ученые придумали ряд способов образования фосфатов, некоторые теории, связанные с особыми средами, такими как кислые вулканические источники или щелочные озера, и редкие минералы, встречающиеся только в метеоритах.
«У нас было предчувствие, что железо играет ключевую роль в растворимости фосфатов, но данных было недостаточно», — сказал Тоска. Идея экспериментов возникла у команды, когда они изучали воды, омывающие отложения, отложившиеся в современном Балтийском море. «Это необычно, потому что в ней много фосфатов и железа — мы начали задаваться вопросом, что такого особенного в этих конкретных водах».
В своих экспериментах исследователи добавляли различное количество железа в ряд синтетических образцов морской воды и проверяли, сколько фосфора она может удерживать, прежде чем образуются кристаллы и минералы отделяются от жидкости. Затем они встроили эти точки данных в модель, которая могла предсказать, сколько фосфатов могла содержать древняя морская вода.
Поровые воды Балтийского моря предоставили один набор современных образцов, которые они использовали для проверки своей модели. «Мы смогли идеально воспроизвести этот необычный химический состав воды», — сказал Тоска. Оттуда они продолжили изучение химии морской воды до того, как появилась какая-либо биология.
Результаты также имеют значение для ученых, пытающихся понять возможности жизни за пределами Земли. «Если железо помогает растворять больше фосфатов, это может иметь отношение к раннему Марсу», — сказал Тоска.
Доказательств существования воды на древнем Марсе предостаточно, включая старые русла рек и паводковые отложения, и мы также знаем, что на поверхности было много железа, а атмосфера временами была бедна кислородом, сказал Тоска.
Их моделирование фильтрации поверхностных вод через скалы на поверхности Марса предполагает, что богатая железом вода могла поставлять фосфаты и в эту среду.
«Будет интересно увидеть, как сообщество использует наши результаты для изучения новых, альтернативных путей эволюции жизни на нашей планете и за ее пределами», — сказал Брейди.
