De ontbrekende schakel in de oorsprong van het leven?

Sebastian Haas houdt een stuk zoutkorst vast van Lake Last Chance met groene algen in het midden en zwart sediment op de bodem. Krediet: David Catling/Universiteit van Washington

Charles Darwin stelde voor dat leven zou kunnen ontstaan ​​in een ‘kleine warme vijver’ die de juiste mix van chemicaliën en energie bevat. Nieuw onderzoek uitgevoerd door de Universiteit van Washington en gepubliceerd in Aarde- en milieucommunicatie Hij wijst op een ondiep ‘frisdrankmeer’ in het westen van Canada als mogelijke oplossing voor deze omstandigheden. De resultaten bieden nieuwe steun voor de mogelijkheid dat leven ontstond uit meren op de vroege aarde, ongeveer 4 miljard jaar geleden.

Wetenschappers weten dat onder de juiste omstandigheden complexe levensmoleculen spontaan kunnen ontstaan. Zoals onlangs werd aangetoond in de succesvolle film ‘Chemistry Lessons’ kunnen biologische moleculen worden geëxtraheerd uit anorganische moleculen. Sterker nog, lang na de daadwerkelijke ontdekking in de jaren vijftig Aminozurende fundamentele bouwstenen van eiwitten. Recent onderzoek heeft de fundamentele bouwstenen van eiwitten gemaakt RNA. Maar voor deze volgende stap zijn zeer hoge fosfaatconcentraties nodig.

Fosfaat vormt de “ruggengraat” van ribonucleïnezuur (RNA). DNA Het is ook een belangrijk onderdeel van celmembranen. De concentraties fosfaat die nodig zijn om deze biomoleculen in het laboratorium te vormen, zijn honderden tot een miljoen keer hoger dan de niveaus die normaal gesproken in rivieren, meren of in de oceanen worden aangetroffen. Dit wordt het ‘fosfaatprobleem’ van het ontstaan ​​van leven genoemd, een probleem dat wellicht door de sodameren is opgelost.

Frisdrankmeren als oplossing

“Ik denk dat deze frisdrankmeren een oplossing bieden voor het fosfaatprobleem”, zegt hoofdauteur David Catling, hoogleraar aard- en ruimtewetenschappen aan de Universiteit van Wisconsin. “Ons antwoord is hoopgevend: dit milieu moet zich op de vroege aarde hebben voorgedaan, en misschien ook op andere planeten, omdat het slechts een natuurlijk gevolg is van de manier waarop planetaire oppervlakken worden gevormd en hoe de waterchemie werkt.”

Frisdrankmeren ontlenen hun naam aan het feit dat ze een hoog gehalte aan opgelost natrium en carbonaat bevatten, vergelijkbaar met opgelost zuiveringszout. Dit komt door interacties tussen water en de vulkanische rotsen eronder. Frisdrankmeren kunnen ook een hoog gehalte aan opgelost fosfaat bevatten.

Leden van het onderzoeksteam lopen in september 2022 over het oppervlak van Last Chance Lake. Aan het einde van de zomer verdampt het water vrijwel volledig, waardoor er een zoute korst achterblijft op het oppervlak. Maar het water blijft in de zakken en holtes zitten, en het fijne sediment bezinkt eronder, waardoor een crème brûlée-structuur ontstaat die enigszins verraderlijk is om op te lopen. Krediet: Zach Cohen/Universiteit van Washington

Uit eerder onderzoek van de Universiteit van Wisconsin in 2019 bleek dat de chemische omstandigheden voor het ontstaan ​​van leven theoretisch zouden kunnen plaatsvinden in sodameren. De onderzoekers combineerden chemische modellen met laboratoriumexperimenten om aan te tonen dat natuurlijke processen theoretisch fosfaat in deze meren zouden kunnen concentreren tot niveaus die tot een miljoen keer hoger zijn dan in gewoon water.

Last Chance Lake: een natuurlijk laboratorium

Voor de nieuwe studie wilde het team een ​​dergelijke omgeving op aarde bestuderen. Toevallig bevond de veelbelovende kandidaat zich op slechts een klein eindje rijden. Weggestopt aan het einde van een Masterproef Vanaf de jaren negentig bevond het hoogste natuurlijke fosfaatniveau dat in de wetenschappelijke literatuur bekend is zich bij Last Chance Lake in het binnenland van British Columbia, Canada, ongeveer zeven uur rijden van Seattle.

Het meer is ongeveer dertig centimeter diep en bevat troebel water met wisselende niveaus. Het ligt op federaal terrein aan het einde van een stoffige onverharde weg op het Caribou Plateau, in het veegebied van British Columbia. Het ondiepe meer voldoet aan de eisen van een sodameer: ​​een meer boven vulkanisch gesteente (in dit geval basalt) gecombineerd met een droge, stormachtige atmosfeer die binnenkomend water verdampt om het waterpeil laag te houden en opgeloste stoffen geconcentreerd in het meer.

Gevolgen voor het leven op andere planeten

De in het nieuwe artikel gepubliceerde analyse suggereert dat sodameren een sterke kandidaat zijn voor de opkomst van leven op aarde. Ze kunnen ook kandidaten zijn voor leven op andere planeten.

Dit panoramische beeld toont Last Chance Lake in het westen van Canada in november 2021, toen het meer in vele kleine vijvers was gekrompen en zich over elke vijver ijs had gevormd. Twee onderzoekers van de Universiteit van Washington staan ​​op het ijskoude oppervlak van het meer. Bron: Kimberly Bobbie Sinclair/Universiteit van Washington

“We hebben de natuurlijke omgeving bestudeerd die in het hele zonnestelsel gebruikelijk zou moeten zijn. Stollingsgesteenten komen veel voor op planetaire oppervlakken, dus het is mogelijk dat dezelfde waterchemie niet alleen op de vroege aarde plaatsvond, maar ook op de oudste planeten. Mars En vroeg Venus“Als er vloeibaar water bestaat”, zegt hoofdauteur Sebastian Haas, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Wisconsin in Aard- en Ruimtewetenschappen.

Veldonderzoek en resultaten

Het team van de Universiteit van Wisconsin bezocht Last Chance Lake drie keer van 2021 tot 2022. Ze verzamelden observaties aan het begin van de winter, toen het meer bedekt was met ijs; In de vroege zomer, wanneer het water in door regen gevoede bronnen en door sneeuw gesmolten stromen zijn hoogste niveau bereikt; In de late zomer, toen het meer bijna volledig was opgedroogd.

“Je hebt dit droge zout dat er plat uitziet, maar er zijn hoeken en gaten. Tussen het zout en het sediment zitten kleine waterzakjes met een hoog percentage opgelost fosfaat”, zei Haas. “Wat we wilden begrijpen was waarom en terwijl dit op de oude aarde had kunnen gebeuren.' 'Om een ​​bakermat te bieden voor de oorsprong van het leven.'

Bij alle drie de bezoeken verzamelde het team monsters van water, sedimenten van het meer en zoutkorst om de chemie van het meer te begrijpen.

In de meeste meren combineert opgelost fosfaat snel met calcium om calciumfosfaat te vormen, de onoplosbare substantie waaruit tandglazuur bestaat. Hierdoor wordt fosfaat uit het water gehaald. Maar in Lake Last Chance combineert calcium met overvloedig carbonaat en magnesium om dolomiet te vormen, hetzelfde mineraal dat pittoreske bergketens vormt. Deze reactie werd voorspeld door eerder modelleringswerk en werd bevestigd toen dolomiet overvloedig aanwezig was in de sedimenten van Lake Last Chance. Wanneer het calcium dolomiet wordt en niet in het water achterblijft, mist het fosfaat een bindingspartner, waardoor de concentratie ervan stijgt.

Conclusie en toekomstige onderzoeksrichtingen

“Deze studie draagt ​​bij aan het groeiende bewijs dat verdampingssodameren omgevingen zijn die voldoen aan de eisen voor de chemie van de oorsprong van het leven door belangrijke componenten in hoge concentraties te accumuleren”, aldus Catling.

De studie vergeleek Last Chance Lake ook met Goodenough Lake, een meer van ongeveer een meter diep met helderder water en een andere chemie op slechts twee minuten lopen, om erachter te komen wat Last Chance Lake uniek maakt. De onderzoekers vroegen zich af waarom het leven, dat op een bepaald niveau in alle moderne meren aanwezig is, geen fosfaat gebruikte in Lake Last Chance.

Lake Goodenough bevat matten van cyanobacteriën die stikstofgas uit de lucht halen of 'fixeren'. Cyanobacteriën hebben, net als alle andere levensvormen, ook fosfaat nodig, en hun groeiende bevolking verbruikt een deel van de fosfaatvoorraad in het meerwater. Maar Last Chance Lake is zo zout dat het de organismen remt die het energie-intensieve werk doen van het fixeren van stikstof uit de atmosfeer. Last Chance Lake herbergt wat algen, maar heeft niet genoeg stikstof om meer leven te huisvesten, waardoor fosfaat zich kan ophopen. Dit maakt het ook een betere tegenhanger van de levenloze aarde.

“Deze nieuwe bevindingen zullen helpen bij het informeren van onderzoekers over de oorsprong van het leven die deze reacties in het laboratorium repliceren of op zoek zijn naar potentieel bewoonbare omgevingen op andere planeten”, aldus Catling.

Referentie: “Biogeochemische verklaringen voor het grootste fosfaatrijke meer ter wereld, een tegenhanger van de oorsprong van het leven” door Sebastian Haas, Kimberly Poppy Sinclair en David C. Catling, 9 januari 2024, Aarde- en milieucommunicatie.
doi: 10.1038/s43247-023-01192-8

Het onderzoek werd gefinancierd door de Simons Stichting. De andere co-auteur is Kimberly Bobbie Sinclair, een UW-afgestudeerde student aard- en ruimtewetenschappen. Afgestudeerde studenten van het astrobiologieprogramma van de Universiteit van Wisconsin hielpen ook bij het verzamelen van monsters.