Les lacs de soude peu profonds sont prometteurs comme berceaux de la vie sur Terre.

22 janvier 2024

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par Hannah Hickey, Université de Washington

Charles Darwin a proposé que la vie aurait pu naître dans un "petit étang chaud" avec le bon cocktail de produits chimiques et d'énergie. Une étude de l'Université de Washington, publiée ce mois-ci dans Communications Earth & Environment, rapporte qu'un "lac à soda" peu profond dans l'ouest du Canada montre des promesses pour répondre à ces exigences. Les résultats fournissent un nouvel appui à l'idée que la vie aurait pu émerger des lacs de la Terre primitive, il y a environ 4 milliards d'années.

Les scientifiques savent que dans les bonnes conditions, les molécules complexes de la vie peuvent émerger spontanément. Comme cela a récemment été fictionnalisé dans le succès retentissant "Leçons de chimie", les molécules biologiques peuvent être incitées à se former à partir de molécules inorganiques. En réalité, bien après la découverte des acides aminés, les éléments constitutifs des protéines, dans les années 1950, des travaux plus récents ont permis de créer les éléments constitutifs de l'ARN. Mais cette prochaine étape nécessite des concentrations extrêmement élevées de phosphate.

Le phosphate forme l'"épine dorsale" de l'ARN et de l'ADN et est également un composant clé des membranes cellulaires. Les concentrations de phosphate requises pour former ces biomolécules en laboratoire sont des centaines à un million de fois plus élevées que les niveaux normalement trouvés dans les rivières, les lacs ou l'océan. Cela a été appelé le "problème du phosphate" pour l'émergence de la vie - un problème que les lacs à soda pourraient avoir résolu.

"Je pense que ces lacs à soda fournissent une réponse au problème du phosphate", a déclaré l'auteur principal David Catling, professeur de sciences de la Terre et de l'espace à l'UW. "Notre réponse est encourageante : cet environnement devrait se produire sur la Terre primitive, et probablement sur d'autres planètes, car c'est simplement un résultat naturel de la façon dont les surfaces planétaires se forment et de la façon dont la chimie de l'eau fonctionne."

Les lacs à soda tirent leur nom de leur taux élevé de sodium et de carbonate dissous, similaire au bicarbonate de sodium dissous. Cela se produit à partir des réactions entre l'eau et les roches volcaniques en dessous. Les lacs à soda peuvent également contenir des niveaux élevés de phosphate dissous.

Des recherches précédentes de l'UW en 2019 ont montré que les conditions chimiques nécessaires à l'apparition de la vie pourraient théoriquement se produire dans les lacs à soda. Les chercheurs ont combiné des modèles chimiques avec des expériences en laboratoire pour montrer que les processus naturels peuvent théoriquement concentrer le phosphate dans ces lacs à des niveaux jusqu'à un million de fois supérieurs à ceux des eaux typiques.

Pour cette nouvelle étude, l'équipe a entrepris d'étudier un tel environnement sur Terre. Par coïncidence, le candidat le plus prometteur se trouvait à proximité. Caché à la fin d'une thèse de maîtrise des années 1990 se trouvait le niveau de phosphate naturel le plus élevé connu dans la littérature scientifique, au Last Chance Lake, dans l'intérieur de la Colombie-Britannique, au Canada, à environ sept heures de route de Seattle.

Le lac fait environ un pied de profondeur et a une eau trouble avec des niveaux fluctuants. Il est situé sur des terres fédérales au bout d'un chemin de terre poussiéreux sur le plateau de Cariboo, dans le ranching country de la Colombie-Britannique. Le lac peu profond répond aux critères d'un lac à soda : un lac au-dessus de roches volcaniques (dans ce cas, du basalte) combiné à une atmosphère sèche et venteuse qui évapore l'eau entrante pour maintenir les niveaux d'eau bas et concentrer les composés dissous dans le lac.

L'analyse publiée dans le nouvel article suggère que les lacs à soda sont un candidat solide pour l'apparition de la vie sur Terre. Ils pourraient également être un candidat pour la vie sur d'autres planètes.

"Nous avons étudié un environnement naturel qui devrait être courant dans tout le système solaire. Les roches volcaniques sont courantes à la surface des planètes, de sorte que cette même chimie de l'eau aurait pu se produire non seulement sur la Terre primitive, mais aussi sur Mars primitive et Venus primitive, si de l'eau liquide était présente", a déclaré l'auteur principal Sebastian Haas, chercheur postdoctoral en sciences de la Terre et de l'espace à l'UW.

L'équipe de l'UW a visité le Last Chance Lake à trois reprises de 2021 à 2022. Ils ont recueilli des observations en début d'hiver, lorsque le lac était couvert de glace ; au début de l'été, lorsque les sources alimentées par la pluie et les ruisseaux alimentés par la fonte des neiges atteignent leur point culminant ; et à la fin de l'été, lorsque le lac s'était presque complètement asséché.

"Vous avez cette étendue de sel apparemment sèche, mais il y a des recoins et des crevasses. Et entre le sel et les sédiments, il y a de petites poches d'eau qui sont vraiment riches en phosphate dissous", a déclaré Haas. "Ce que nous voulions comprendre, c'est pourquoi et quand cela pouvait se produire sur l'ancienne Terre, afin de fournir un berceau pour l'origine de la vie."

Lors de ces trois visites, l'équipe a prélevé des échantillons d'eau, de sédiments lacustres et de croûte de sel pour comprendre la chimie du lac.

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