Das fehlende Glied im Ursprung des Lebens?

Sebastian Haas hält ein Stück Salzkruste vom Lake Last Chance mit grünen Algen in der Mitte und schwarzem Sediment am Boden. Bildnachweis: David Catling/University of Washington

Charles Darwin schlug vor, dass Leben in einem „kleinen warmen Teich“ entstehen könnte, der die richtige Mischung aus Chemikalien und Energie enthält. Neue Forschungsergebnisse der University of Washington, veröffentlicht in Erd- und Umweltkommunikation Er nennt einen flachen „Sodasee“ im Westen Kanadas als mögliche Lösung für diese Bedingungen. Die Ergebnisse liefern neue Belege für die Möglichkeit, dass vor etwa 4 Milliarden Jahren Leben aus Seen auf der frühen Erde entstand.

Wissenschaftler wissen, dass unter den richtigen Bedingungen komplexe Lebensmoleküle spontan entstehen können. Wie kürzlich im Erfolgsfilm „Chemistry Lessons“ gezeigt wurde, können biologische Moleküle aus anorganischen Molekülen extrahiert werden. Tatsächlich lange nach der eigentlichen Entdeckung in den 1950er Jahren Aminosäurendie Grundbausteine ​​von Proteinen. Neuere Forschungen haben die Grundbausteine ​​von Proteinen hergestellt RNA. Dieser nächste Schritt erfordert jedoch sehr hohe Phosphatkonzentrationen.

Phosphat bildet das „Rückgrat“ der Ribonukleinsäure (RNA). DNA Es ist auch ein Hauptbestandteil von Zellmembranen. Die Phosphatkonzentrationen, die zur Bildung dieser Biomoleküle im Labor erforderlich sind, sind hunderte bis millionenfach höher als die normalerweise in Flüssen, Seen oder Ozeanen vorkommenden Konzentrationen. Dies wurde als „Phosphatproblem“ der Entstehung des Lebens bezeichnet, ein Problem, das Sodaseen möglicherweise gelöst haben.

Sodaseen als Lösung

„Ich denke, diese Sodaseen bieten eine Lösung für das Phosphatproblem“, sagte Hauptautor David Catling, Professor für Geo- und Weltraumwissenschaften an der University of Wisconsin. „Unsere Antwort ist hoffnungsvoll: Diese Umgebung muss auf der frühen Erde und vielleicht auch auf anderen Planeten aufgetreten sein, denn sie ist einfach eine natürliche Folge der Art und Weise, wie Planetenoberflächen entstehen und wie die Wasserchemie funktioniert.“

Natronseen verdanken ihren Namen dem hohen Gehalt an gelöstem Natrium und Karbonat, ähnlich wie gelöstem Backpulver. Dies geschieht durch Wechselwirkungen zwischen Wasser und dem darunter liegenden Vulkangestein. Sodaseen können auch hohe Mengen an gelöstem Phosphat enthalten.

Mitglieder des Forschungsteams laufen im September 2022 über die Oberfläche des Last Chance Lake. Am Ende des Sommers verdunstet das Wasser fast vollständig und hinterlässt eine salzige Kruste auf der Oberfläche. Aber das Wasser bleibt in den Taschen und Hohlräumen, und das feine Sediment setzt sich darunter ab, wodurch eine Crème-Brûlée-Struktur entsteht, die beim Gehen etwas tückisch ist. Bildnachweis: Zach Cohen/University of Washington

Frühere Untersuchungen der University of Wisconsin aus dem Jahr 2019 ergaben, dass die chemischen Bedingungen für die Entstehung von Leben theoretisch in Sodaseen herrschen könnten. Die Forscher kombinierten chemische Modelle mit Laborexperimenten, um zu zeigen, dass natürliche Prozesse Phosphat in diesen Seen theoretisch auf Werte konzentrieren könnten, die bis zu eine Million Mal höher sind als in gewöhnlichem Wasser.

Last Chance Lake: ein natürliches Labor

Für die neue Studie machte sich das Team daran, eine solche Umgebung auf der Erde zu untersuchen. Zufälligerweise war der vielversprechende Kandidat nur eine kurze Autofahrt entfernt. Versteckt am Ende eines Masterarbeit Ab den 1990er Jahren wurde der höchste in der wissenschaftlichen Literatur bekannte natürliche Phosphatgehalt am Last Chance Lake im Landesinneren von British Columbia, Kanada, etwa sieben Autostunden von Seattle entfernt, gemessen.

Der See ist etwa einen Fuß tief und enthält trübes Wasser mit schwankenden Pegeln. Es liegt auf Bundesland am Ende einer staubigen unbefestigten Straße auf dem Caribou-Plateau im Rinderland von British Columbia. Der flache See erfüllt die Anforderungen eines Sodasees: ein See über Vulkangestein (in diesem Fall Basalt), kombiniert mit einer trockenen, stürmischen Atmosphäre, die das einströmende Wasser verdunstet, um den Wasserstand niedrig zu halten und gelöste Verbindungen im See anzureichern.

Auswirkungen auf das Leben auf anderen Planeten

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 Kandidaten für Leben auf anderen Planeten sein.

Diese Panoramaansicht zeigt den Last Chance Lake im Westen Kanadas im November 2021, als der See in viele kleine Teiche geschrumpft war und sich über jedem Teich Eis gebildet hatte. Zwei Forscher der University of Washington stehen auf der eisigen Oberfläche des Sees. Quelle: Kimberly Bobbie Sinclair/University of Washington

„Wir haben die natürliche Umgebung untersucht, die im gesamten Sonnensystem vorkommen sollte. Magmatisches Gestein kommt auf Planetenoberflächen häufig vor, daher ist es möglich, dass die gleiche Wasserchemie nicht nur auf der frühen Erde, sondern auch auf den ältesten Planeten vorkam. Mars Und zwar früh Venus„Wenn flüssiges Wasser existiert“, sagte Hauptautor Sebastian Haas, Postdoktorand für Erd- und Weltraumwissenschaften an der University of Wisconsin.

Feldforschung und Ergebnisse

Das Team der University of Wisconsin 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 das Wasser in regengespeisten Quellen und durch Schneeschmelze gespeisten Bächen seinen höchsten Stand erreicht; Im Spätsommer, als der See fast vollständig ausgetrocknet war.

„Sie haben dieses trockene Salz, das flach aussieht, aber es gibt Ecken und Winkel. Zwischen dem Salz und dem Sediment gibt es kleine Wassertaschen mit einem hohen Anteil an gelöstem Phosphat“, sagte Haas. „Wir wollten verstehen, warum und.“ als dies auf der alten Erde hätte passieren können.“ „Um eine Wiege für den Ursprung des Lebens zu schaffen.“

Bei allen drei Besuchen sammelte das Team Proben von Wasser, Seesedimenten und Salzkruste, um die Chemie des Sees zu verstehen.

In den meisten Seen verbindet sich gelöstes Phosphat schnell mit Kalzium zu Kalziumphosphat, der unlöslichen Substanz, aus der der Zahnschmelz besteht. Dadurch wird Phosphat aus dem Wasser entfernt. Aber im Lake Last Chance 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 Dolomit in den Sedimenten des Lake Last Chance reichlich vorhanden war. Wenn das Kalzium zu Dolomit wird und nicht im Wasser verbleibt, fehlt dem Phosphat ein Bindungspartner und seine Konzentration steigt.

Fazit und zukünftige Forschungsrichtungen

„Diese Studie ergänzt die wachsenden Beweise dafür, dass verdunstende Soda-Seen Umgebungen sind, die die Anforderungen für die Chemie der Entstehung des Lebens erfüllen, indem sie Schlüsselkomponenten in hohen Konzentrationen ansammeln“, sagte Catling.

Die Studie verglich Last Chance Lake auch mit Goodenough Lake, einem etwa 3 Fuß tiefen See mit klarerem Wasser und anderer Chemie, der nur zwei Minuten zu Fuß entfernt ist, um herauszufinden, was Last Chance Lake einzigartig macht. Die Forscher fragten sich, warum das Leben, das in allen modernen Seen auf einer bestimmten Ebene vorhanden ist, im Lake Last Chance kein Phosphat verbrauchte.

Lake Goodenough enthält 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 im Seewasser. Aber der Last Chance Lake ist so salzig, dass er die Organismen hemmt, die die energieintensive Arbeit der Bindung von Luftstickstoff erledigen. Der Last Chance Lake beherbergt einige Algen, verfügt aber nicht über genügend Stickstoff, um mehr Leben zu beherbergen, wodurch sich Phosphat ansammelt. Dies macht es auch zu einem besseren Gegenstück zur leblosen Erde.

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

Referenz: „Biogeochemische Erklärungen für den größten phosphatreichen See der Welt, ein Gegenstück zum Ursprung des Lebens“ von Sebastian Haas, Kimberly Poppy Sinclair und David C. Catling, 9. Januar 2024, Erd- und Umweltkommunikation.
doi: 10.1038/s43247-023-01192-8

Die Forschung wurde von der Simons Foundation finanziert. Die andere Co-Autorin ist Kimberly Bobbie Sinclair, eine Doktorandin der Geo- und Weltraumwissenschaften an der UW. Auch Doktoranden des Astrobiologieprogramms der University of Wisconsin halfen beim Sammeln von Proben.