Flache Soda-Seen zeigen Potenzial als Wiegen des Lebens auf der Erde.

22. Januar 2024

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Von Hannah Hickey, University of Washington

Charles Darwin schlug vor, dass Leben in einem "warmen kleinen Teich" mit der richtigen Mischung aus Chemikalien und Energie entstehen könnte. Eine Studie der University of Washington, die diesen Monat in Communications Earth & Environment veröffentlicht wurde, zeigt, dass ein flacher "Soda-See" im Westen Kanadas vielversprechendere Bedingungen für diese Anforderungen bietet. Die Ergebnisse unterstützen die Annahme, 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 im Blockbuster "Lessons in Chemistry" fiktionalisiert, können biologische Moleküle aus anorganischen Molekülen gebildet werden. Tatsächlich haben neuere Arbeiten nach der realen Entdeckung von Aminosäuren, den Bausteinen von Proteinen, in den 1950er Jahren die Bausteine von RNA hergestellt. Aber dieser nächste Schritt erfordert extrem hohe Phosphatkonzentrationen.

Phosphat bildet das "Rückgrat" von RNA und DNA und ist auch ein wichtiger Bestandteil von Zellmembranen. Die Konzentrationen von Phosphat, die zur Bildung dieser Biomoleküle im Labor erforderlich sind, liegen hundert- bis millionenfach höher als die normalerweise in Flüssen, Seen oder im Ozean vorhandenen Werte. Dies wurde als "Phosphatproblem" für das Entstehen von Leben bezeichnet - ein Problem, das Soda-Seen möglicherweise gelöst haben.

"Ich denke, diese Soda-Seen liefern eine Antwort auf das Phosphatproblem," sagte der leitende Autor David Catling, Professor für Erd- und Weltraumwissenschaften an der UW. "Unsere Antwort ist hoffnungsvoll: Diese Umgebung sollte auf der frühen Erde und wahrscheinlich auch auf anderen Planeten vorkommen, da sie nur eine natürliche Folge der Art und Weise ist, wie planetare Oberflächen entstehen und wie die Wasserchemie funktioniert."

Soda-Seen erhalten ihren Namen durch hohe Konzentrationen von gelöstem Natrium und Carbonat, ähnlich wie gelöstes Backpulver. Dies entsteht durch die Reaktionen zwischen Wasser und vulkanischem Gestein darunter. Soda-Seen können auch hohe Konzentrationen von gelöstem Phosphat aufweisen.

Frühere Forschungen der UW im Jahr 2019 ergaben, dass chemische Bedingungen für das Entstehen von Leben theoretisch in Soda-Seen auftreten könnten. Die Forscher kombinierten chemische Modelle mit Laborexperimenten, um zu zeigen, dass natürliche Prozesse Phosphat in diesen Seen theoretisch auf bis zu 1 Million mal höhere Werte als in typischen Gewässern konzentrieren können.

Für die neue Studie machte sich das Team auf, eine solche Umgebung auf der Erde zu untersuchen. Durch Zufall war der vielversprechendste Kandidat in erreichbarer Nähe. Versteckt am Ende einer Masterarbeit aus den 1990er Jahren befand sich der höchste bekannte natürliche Phosphatgehalt in der wissenschaftlichen Literatur am Last Chance Lake im Landesinneren von British Columbia, Kanada, etwa sieben Stunden von Seattle entfernt.

Der See ist etwa einen Fuß tief und hat trübes Wasser mit schwankendem Pegel. Er liegt auf Bundesland am Ende einer staubigen Feldstraße auf dem Cariboo Plateau im Ranching-Gebiet von British Columbia. Der flache See erfüllt die Anforderungen für einen Soda-See: ein See über vulkanischem Gestein (in diesem Fall Basalt) in Kombination mit einer trockenen, windigen Atmosphäre, die das einströmende Wasser verdunstet, um den Wasserspiegel niedrig zu halten und gelöste Verbindungen im See zu konzentrieren.

Die in der neuen Studie veröffentlichte Analyse legt nahe, dass Soda-Seen ein starker Kandidat für das Entstehen 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 Sonnensystem weit verbreitet sein sollte. Vulkanisches Gestein kommt auf den Oberflächen von Planeten häufig vor, daher könnte diese Wasserchemie nicht nur auf der frühen Erde, sondern auch auf dem frühen Mars und der frühen Venus aufgetreten sein, wenn flüssiges Wasser vorhanden war", sagte der Erstautor Sebastian Haas, ein postdoktorand in der Erd- und Weltraumwissenschaft an der UW.

Das UW-Team besuchte den Last Chance Lake von 2021 bis 2022 dreimal. Sie sammelten Beobachtungen im frühen Winter, als der See von Eis bedeckt war; im frühen Sommer, als regen gespeiste Quellen und schmelzender Schnee das Wasser auf das höchste Niveau brachten; und im Spätsommer, als der See fast vollständig ausgetrocknet war.

"Du hast diese scheinbar trockene Salzpfanne, aber es gibt Nischen und Spalten. Und zwischen dem Salz und dem Sediment gibt es kleine Wasseransammlungen, die sehr hohe Konzentrationen von gelöstem Phosphat aufweisen", sagte Haas. "Was wir verstehen wollten, war, warum und wann dies auf der frühen Erde geschehen könnte, um eine Wiege für den Ursprung des Lebens zu bieten."

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

In most lakes the dissolved phosphate quickly combines with calcium to form calcium phosphate, the insoluble material that makes up our tooth enamel. This removes phosphate from the water. But in Last Chance Lake, calcium combines with plentiful carbonate as well as magnesium to form dolomite, the same mineral that forms picturesque mountain ranges. This reaction was predicted by the previous modeling work and confirmed when dolomite was plentiful in Last Chance Lake's sediments. When calcium turns into dolomite and does not remain in the water, the phosphate lacks a bonding partner—and so its concentration rises.

'This study adds to growing evidence that evaporative soda lakes are environments meeting the requirements for origin-of-life chemistry by accumulating key ingredients at high concentrations,' Catling said.

The study also compared Last Chance Lake with Goodenough Lake, a roughly three-foot-deep lake with clearer water and different chemistry just a two-minute walk away, to learn what makes Last Chance Lake unique. The researchers wondered why life, present in all modern lakes at some level, was not using up the phosphate in Last Chance Lake.

Goodenough Lake has mats of cyanobacteria that extract or 'fix' nitrogen gas from the air. Cyanobacteria, like all other lifeforms, also require phosphate—and its growing population consumes some of that lake water's phosphate supply. But Last Chance Lake is so salty that it inhibits living things that do the energy-intensive work of fixing atmospheric nitrogen. Last Chance Lake harbors some algae but has insufficient available nitrogen to host more life, allowing phosphate to accumulate. This also makes it a better analog for a lifeless Earth.

'These new findings will help inform origin-of-life researchers who are either replicating these reactions in the lab or are looking for potentially habitable environments on other planets,' Catling said.

Journal information: Communications Earth & Environment

Provided by University of Washington