Flache Soda-Seen sind vielversprechende Wiegen des Lebens auf der Erde

Charles Darwin schlug vor, dass Leben in einem „warmen kleinen Teich“ mit dem richtigen Cocktail aus Chemikalien und Energie hätte entstehen können. A Studie von der University of Washington, veröffentlicht diesen Monat in Kommunikation Erde und Umwelt, berichtet, dass ein flacher „Sodasee“ im Westen Kanadas vielversprechend ist, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Die Ergebnisse liefern neue Belege dafür, dass Leben vor etwa 4 Milliarden Jahren aus Seen auf der frühen Erde entstanden sein könnte.

Wissenschaftler wissen, dass unter den richtigen Bedingungen die komplexen Moleküle des Lebens spontan entstehen können. Wie kürzlich im Blockbuster-Hit „Lessons in Chemistry“ fiktionalisiert wurde, können biologische Moleküle dazu gebracht werden, aus anorganischen Molekülen zu entstehen. Tatsächlich wurden lange nach der echten Entdeckung in den 1950er-Jahren Aminosäuren, die Bausteine ​​von Proteinen, in neueren Arbeiten zu Bausteinen der RNA gemacht. Dieser nächste Schritt erfordert jedoch extrem hohe Phosphatkonzentrationen.

Phosphat bildet das „Rückgrat“ von RNA und DNA und ist außerdem ein wichtiger Bestandteil von Zellmembranen. Die für die Bildung dieser Biomoleküle im Labor erforderlichen Phosphatkonzentrationen sind hunderte bis eine Million Mal höher als die normalerweise in Flüssen, Seen oder im Meer vorkommenden Konzentrationen. Dies wurde als „Phosphatproblem“ für die Entstehung von Leben bezeichnet – ein Problem, das Sodaseen möglicherweise gelöst haben.

„Ich denke, diese Sodaseen bieten eine Antwort auf das Phosphatproblem“, sagte der leitende Autor David Catling, Professor für Geo- und Weltraumwissenschaften an der UW. „Unsere Antwort ist hoffnungsvoll: Diese Umgebung sollte auf der frühen Erde und wahrscheinlich auch auf anderen Planeten vorkommen, weil sie einfach ein natürliches Ergebnis der Art und Weise ist, wie Planetenoberflächen hergestellt werden und wie die Wasserchemie funktioniert.“

Natronseen verdanken ihren Namen dem hohen Gehalt an gelöstem Natrium und Karbonat, ähnlich wie gelöstem Backpulver. Dies geschieht durch Reaktionen zwischen Wasser und darunterliegendem Vulkangestein. Sodaseen können auch einen hohen Gehalt an gelöstem Phosphat aufweisen.

Frühere Untersuchungen der UW aus dem Jahr 2019 ergaben, dass in Sodaseen theoretisch chemische Bedingungen für die Entstehung von Leben herrschen könnten. Die Forscher kombinierten chemische Modelle mit Laborexperimenten, um zu zeigen, dass natürliche Prozesse Phosphat in diesen Seen theoretisch auf Werte konzentrieren können, die bis zu 1 Million Mal höher sind als in typischen Gewässern.

Für die neue Studie machte sich das Team daran, eine solche Umgebung auf der Erde zu untersuchen. Zufälligerweise war der aussichtsreichste Kandidat mit dem Auto erreichbar. Versteckt am Ende eines Masterarbeit Ab den 1990er Jahren lag der höchste bekannte natürliche Phosphatgehalt in der wissenschaftlichen Literatur bei See der letzten Chance im Landesinneren von British Columbia, Kanada, etwa sieben Autostunden von Seattle entfernt.

Der See ist etwa einen Fuß tief und hat trübes Wasser mit schwankenden Wasserständen. Es liegt auf Bundesland am Ende einer staubigen unbefestigten Straße auf dem Cariboo Plateau im Ranchgebiet von British Columbia. Der flache See erfüllt die Anforderungen an einen Sodasee: ein See über Vulkangestein (in diesem Fall Basalt) in Kombination mit einer trockenen, windigen Atmosphäre, die das einströmende Wasser verdunstet, um den Wasserstand niedrig zu halten und gelöste Verbindungen im See zu konzentrieren.

Die in der neuen Arbeit veröffentlichte Analyse legt nahe, dass Sodaseen ein starker Kandidat für die Entstehung von Leben auf der Erde sind. Sie könnten auch ein Kandidat für Leben auf anderen Planeten sein.

„Wir haben eine natürliche Umgebung untersucht, die im gesamten Sonnensystem vorkommen sollte. Auf den Oberflächen von Planeten sind vulkanische Gesteine ​​weit verbreitet, daher könnte die gleiche Wasserchemie nicht nur auf der frühen Erde, sondern auch auf dem frühen Mars und der frühen Venus aufgetreten sein, sofern sie flüssig waren.“ Wasser war vorhanden“, sagte Hauptautor Sebastian Haas, ein Postdoktorand der UW in den Erd- und Weltraumwissenschaften.

Das UW-Team besuchte den Last Chance Lake von 2021 bis 2022 dreimal. Sie sammelten Beobachtungen im Frühwinter, als der See mit Eis bedeckt war; im Frühsommer, wenn regengespeiste Quellen und von der Schneeschmelze gespeiste Bäche den höchsten Wasserstand erreichen; und im Spätsommer, als der See fast vollständig ausgetrocknet war.

„Sie haben diese scheinbar trockene Salzwüste, aber es gibt Ecken und Winkel. Und zwischen dem Salz und dem Sediment gibt es kleine Wassertaschen, die wirklich viel gelöstes Phosphat enthalten“, sagte Haas. „Wir wollten verstehen, warum und wann dies auf der alten Erde geschehen konnte, um eine Wiege für den Ursprung des Lebens zu schaffen.“

Bei allen drei Besuchen sammelte das Team Wasser-, Seesediment- und Salzkrustenproben, um die Chemie des Sees zu verstehen.

In den meisten Seen verbindet sich das gelöste Phosphat schnell mit Kalzium zu Kalziumphosphat, dem unlöslichen Material, aus dem unser Zahnschmelz besteht. Dadurch wird Phosphat aus dem Wasser entfernt. Aber im Last Chance Lake verbindet sich Kalzium mit reichlich Karbonat und Magnesium zu Dolomit, dem gleichen Mineral, das malerische Bergketten bildet. Diese Reaktion wurde durch frühere Modellierungsarbeiten vorhergesagt und bestätigt, als in den Sedimenten des Last Chance Lake reichlich Dolomit vorkam. Wenn Kalzium zu Dolomit wird und nicht im Wasser verbleibt, fehlt dem Phosphat ein Bindungspartner – und seine Konzentration steigt.

„Diese Studie trägt zu den wachsenden Beweisen bei, dass verdunstende Soda-Seen Umgebungen sind, die die Anforderungen für die Chemie des Ursprungs des Lebens erfüllen, indem sie wichtige Inhaltsstoffe in hohen Konzentrationen ansammeln“, sagte Catling.

Die Studie verglich den Last Chance Lake auch mit dem Goodenough Lake, einem etwa drei Fuß tiefen See mit klarerem Wasser und anderer Chemie, nur zwei Gehminuten entfernt, um herauszufinden, was Last Chance Lake einzigartig macht. Die Forscher fragten sich, warum das Leben, das in allen modernen Seen zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden ist, das Phosphat im Last Chance Lake nicht verbrauchte.

Im Goodenough Lake gibt es Matten aus Cyanobakterien, die der Luft Stickstoffgas entziehen oder „fixieren“. Wie alle anderen Lebensformen benötigen auch Cyanobakterien Phosphat – und ihre wachsende Population verbraucht einen Teil des Phosphatvorrats des Seewassers. Aber der Last Chance Lake ist so salzig, dass er Lebewesen hemmt, die die energieintensive Arbeit der Bindung von Luftstickstoff übernehmen. Der Last Chance Lake beherbergt einige Algen, verfügt jedoch nicht über genügend Stickstoff, um mehr Leben zu beherbergen, wodurch sich Phosphat ansammeln kann. Dies macht es auch zu einem besseren Analogon für eine leblose Erde.

„Diese neuen Erkenntnisse werden dazu beitragen, Forscher über den Ursprung des Lebens zu informieren, die diese Reaktionen entweder im Labor nachbilden oder nach potenziell bewohnbaren Umgebungen auf anderen Planeten suchen“, sagte Catling.