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

Рис. 1. Содовое озеро Магади, расположенное в кратере древнего вулкана Нгоронгоро в Танзании, — один из объектов обсуждаемого исследования. Фото © Владислав Стрекопытов

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).

Рис. 2. Прямая зависимость содержания фосфора в содовых озерах от содержания растворенного неорганического углерода. Фиолетовым показано озеро Серлс (Калифорния), синим — озеро Магади, зеленым — прочие африканские озера, красным — прочие североамериканские озера, желтым — канадские озера Goodenough и Last Chance. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

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).

Рис. 3. Показатель рН растворов, насыщенных по отношению к фосфатным, хлоридным и карбонатным солям натрия при переменной температуре и парциальном давлении CO₂ в атмосфере для сегодняшней (present-day Earth) и ранней (early Earth) Земли. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

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