Жизнь на Земле могла возникнуть в щелочных озерах с высоким содержанием фосфора

Фосфор — один из шести основных химических элементов, из которых строятся живые организмы. Поэтому считается, что жизнь могла возникнуть только в среде, содержащей свободный фосфор или его соединения. Но, если судить по сохранившимся отложениям, в большинстве древних водоемов концентрация фосфатов была слишком мала для появления первых живых организмов. Есть и исключения — так называемые содовые озера, образующиеся в условиях жаркого климата в бессточных котловинах. Американские ученые изучили современные содовые озера и пришли к выводу, что их аналоги в древности вполне могли стать местом зарождения жизни.

Фосфор играет важную роль для земных живых организмов — он вместе с сахарами формирует основу ДНК и РНК, входит в состав молекул АТФ, поставляющих энергию для большинства биохимических и физиологических процессов, а также участвует в построении клеточных мембран и других частей клеток.

Главный источник фосфора для человека и других организмов — ткани животных и растения. Последние берут этот элемент из почвы, где он также имеет органическое происхождение. Большая часть неорганического фосфора на Земле находится в форме фосфатов — нерастворимых минералов, наиболее распространенным из которых является фосфат кальция апатит (Са₅[PO₄]₃(F, Cl, ОН)). Фосфор в апатите находится в связанном виде, недоступном для вхождения в состав живых организмов.

В свободном состоянии фосфор в природе не встречается из-за высокой химической активности. Поэтому вопрос о том, откуда взялись растворимые в воде соединения фосфора, необходимые для первых организмов, пока остается без ответа. В научной литературе он получил название «проблемы фосфатов».

Американские ученые Джонатан Тонер (Jonathan Toner) и Дэвид Кэтлинг (David Catling) из Вашингтонского университета в Сиэтле предложили вариант решения этой проблемы, рассмотрев в качестве потенциальной «колыбели жизни» карбонатные (содовые) озера. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Содовые озера (см. Soda lake) — это, как правило, бессточные водоемы, образующиеся в засушливом климате в понижениях рельефа и собирающие воду с окружающей территории. Высокая скорость испарения и отсутствие стока приводят к тому, что воды этих озер становятся сильнощелочными (с значением pH от 9 до 12) за счет высокой концентрации в них карбонатных солей, в первую очередь — карбоната натрия.

Минеральные озера с карбонатными водами встречаются по всему миру, как правило, в засушливых и полузасушливых районах. Крупнейшими из них являются Каспийское море, Аральское море, Иссык-Куль, озеро Ван в Турции, озеро Туркана в Кении. Много содовых озер расположено вдоль всей Восточно-Африканской рифтовой долины.

Несмотря на кажущуюся непригодность для жизни из-за высокой щелочности, содовые озера — весьма продуктивные экосистемы. Первичная продукция за счет фотосинтеза в них составляет около 10 г/см² в день, что более чем в 16 раз превышает среднемировое значение для озер и ручьев (0,6 г/см² в день, см. J. Melack, P. Kilham, 1974. Photosynthetic rates of phytoplankton in East African alkaline, saline lakes). Наиболее важными фотосинтезаторами в содовых озерах являются цианобактерии, а высокая первичная продукция обусловлена практически неограниченной доступностью растворенного в щелочных водах углекислого газа.

Авторы изучили богатые карбонатами озера: Моно и Серлс в Калифорнии, Лонар в Индии, Магади (lake Magadi) в Кении и одноименное озеро в Танзании (рис. 1). Оказалось, что в этих водоемах уровень фосфора в 50 000 раз выше, чем в реках, морской воде, а также в озерах других типов.

Чтобы выявить химический механизм такого концентрирования, ученые провели эксперименты по осаждению ионов Ca²⁺ и фосфат-ионов в насыщенных фосфатами и карбонатами растворах. Изменяя начальные соотношения реагентов (NaHCO₃, Na₂CO₃, Na₂HPO₄ и NaF⁻) — главных компонентов содовых растворов — и время реакции, авторы наблюдали за осаждением из растворов осадка, который затем анализировали с использованием методов оптической эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES — Inductively coupled plasma optical emission spectrometry) и рентгеноструктурного анализа.

Лабораторные тесты показали, что кальций в содовых озерах связывается с карбонат-ионом раньше, чем с фосфат-ионом, оставляя фосфат в свободном доступе в воде. Обычно же фосфор осаждается в виде нерастворимых фосфатов кальция еще до осаждения карбоната кальция. При этом, чем выше содержание в водах растворенного неорганического углерода, тем больше в них остается свободного фосфора (рис. 2).

Обычно в пребиотических экспериментах, в которых получают органические вещества из неорганических молекул, для включения фосфора в биомолекулы (реакции фосфорилирования) используются молярные (с концентрациями более 1 моля) растворы фосфата, чтобы преодолеть его плохую реакционную способность с органическими веществами в воде. Анализы показали, что в среднем воды содовых озер содержат до 0,1 моля фосфата, но в отдельных случаях, например, в особо засушливый период, когда нет притока свежей воды, содержащей Ca²⁺ или Mg²⁺, концентрация фосфатов в водах содовых озер за счет испарения может расти вплоть до 1 моль, пока раствор не достигнет насыщения по отношению к солям Na⁺ — главного катиона содовых озер — и не начнется отложение фосфата натрия. А начнется оно только после осаждения карбоната/бикарбоната натрия и его хлоридных солей.

Так что времени присутствия в растворе свободного фосфата в значительных концентрациях вполне достаточно для того, чтобы начался пребиотический синтез фосфорорганических соединений. Испарение с образованием обогащенного фосфатами осадка по той же схеме может происходить вдоль всех окраин содовых озер вообще постоянно, независимо от притока свежей воды.

Авторы считают, что 4 млрд лет назад на Земле были все условия для формирования таких озер и зарождения в них жизни. Свежие вулканические породы при контакте с насыщенной углекислым газом атмосферой подвергались интенсивному кислотному выветриванию и высвобождающийся при этом из пород фосфор вместе с кальцием поступали в водоемы, где фосфор в результате пребиотических реакций включался в состав строительных блоков для создания РНК, белков и жиров.

В отсутствие микробных поглотителей фосфора этот элемент должен был накапливаться в древних карбонатных озерах в еще более высоких концентрациях, чем в современных озерах. И для этого не требовалась такая высокощелочная среда, как сейчас. Из-за повышенного содержания СО₂ в атмосфере насыщенные фосфатом рассолы на ранней Земле могли быть нейтральными или даже слабокислыми (рН 6,5–9, рис. 3).

Ранее эти же авторы показали, что условия содовых озер позволяют формированию высоких концентраций цианидов — солей синильной кислоты, участвующих в синтезе аминокислот, нуклеотидов и предшественников липидов (J. D. Toner, D. C. Catling, 2019. Alkaline lake settings for concentrated prebiotic cyanide and the origin of life). Исследователи экспериментально доказали, что в закрытых щелочных бассейнах мог осаждаться ферроцианид натрия, образующийся при реакции цианистого водорода ранней атмосферы Земли с железом. Последующее термическое разложение ферроцианида натрия приводило к образованию растворимого в воде цианида натрия NaCN, готового для участия в пребиотических реакциях.

Источник: Jonathan D. Toner, David C. Catling. A carbonate-rich lake solution to the phosphate problem of the origin of life // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2019. DOI: 10.1073/pnas.1916109117.

Владислав Стрекопытов