Η ζωή όπως τη γνωρίζουμε σήμερα απαιτεί φώσφορο- ένα από τα έξι βασικά χημικά συστατικά της ζωής, το οποίο αποτελεί τη ραχοκοκκαλιά των μορίων DNA και RNA, λειτουργεί ως βασικό «συνάλλαγμα» ενέργειας στα κύτταρα και αποτελεί «άγκυρα» για τα λιπίδια που διαχωρίζουν τα κύτταρα από το περιβάλλον τους. Όπως αναφέρει σε σχετικό ρεπορτάζ η Ναυτεμπορική, ωστόσο, πώς το χωρίς ζωή περιβάλλον της πρώιμης Γης παρείχε αυτό το βασικό συστατικό; «Για 50 χρόνια, το αποκαλούμενο “φωσφορικό πρόβλημα” μαστίζει τις μελέτες πάνω στην προέλευση της ζωής» είπε ο Τζόναθαν Τόνερ του University of Washington, first author νέας σχετικής έρευνας.
Το πρόβλημα είναι πως οι χημικές αντιδράσεις που δημιουργούν τα δοκιμά στοιχεία των ζωντανών οργανισμών χρειάζονται πολύ φώσφορο, αλλά ο φώσφορος είναι σπάνιος. Η νέα μελέτη του UW, που δημοσιεύτηκε στις 30 Δεκεμβρίου στο Proceedings of the National Academy of Sciences, δίνει απάντηση στο ερώτημα αυτό υποδεικνύοντας κάποια είδη λιμνών.
Η μελέτη επικεντρώνεται σε λίμνες πλούσια σε ανθρακικά άλατα, που σχηματίζονται σε ξηρά περιβάλλοντα, εντός περιοχών όπου διοχετεύονται ύδατα από τις γύρω περιοχές. Λόγω των υψηλών ρυθμών εξάτμισης, τα ύδατα των λιμών συμπυκνώνονται σε αλατούχα και αλκαλικά, ή υψηλού pH, διαλύματα. Τέτοιες λίμνες (αλκαλικές λίμνες) υπάρχουν σε όλες τις ηπείρους.
Οι ερευνητές πρώτα εξέτασαν τα επίπεδα φωσφόρου σε υπάρχουσες λίμνες, μεταξύ των οποίων η Mono Lake στην Καλιφόρνια, η λίμνη Μαγκάντι στην Κένυα και η λίμνη Λονάρ στην Ινδία. Αν και η ακριβής συγκέντρωση εξαρτάται από το από πού ελήφθησαν τα δείγματα και σε ποια περίοδο, οι ερευνητές διαπίστωσαν πως οι πλούσιες σε ανθρακικά άλατα λίμνες είχαν επίπεδα φωσφόρου μέχρι και 50.000 αυτά που συναντώνται στο θαλάσσιο νερό, τα ποτάμια και άλλα είδη λιμνών. Τέτοιες υψηλές συγκεντρώσεις υποδεικνύουν την ύπαρξη κάποιο κοινού, φυσικού μηχανισμού που συσσωρεύει φώσφορο σε αυτές τις λίμνες.
Σήμερα τέτοιου είδους λίμνες είναι βιολογικά πλούσιες και υποστηρίζουν ζωή- από μικρόβια μέχρι φλαμίνγκο (στην περίπτωση της λίμνης Μαγκάντι). Αυτοί οι οργανισμοί επηρεάζουν τη χημεία της λίμνης, οπότε οι επιστήμονες έκαναν πειράματα με πλούσια σε ανθρακικά άλατα νερά σε διάφορες χημικές συστάσεις, για να γίνει κατανοητό το πώς οι λίμνες συσσωρεύουν φώσφορο και πόσο υψηλές θα μπορούσαν να είναι οι συγκεντρώσεις φωσφόρου σε περιβάλλοντα χωρίς ζωή.
Ο λόγος που αυτά τα ύδατα έχουν υψηλά επίπεδα φωσφόρου είναι το περιεχόμενό τους. Στις πιο πολλές λίμνες, το ασβέστιο, που είναι πολύ πιο άφθονο στη Γη, συνδέεται με τον φώσφορο και σχηματίζει ορυκτά φωσφορικού ασβεστίου, στα οποία η ζωή δεν έχει πρόσβαση. Ωστόσο σε ύδατα πλούσια με ανθρακικά άλατα, αυτά τα καταφέρνουν καλύτερα από το φωσφορικό άλας στη σύνδεση με το ασβέστιο, με αποτέλεσμα μέρος αυτού να μένει αδέσμευτο. Εργαστηριακές δοκιμές όπου συνδυάζονταν συστατικά σε διαφορετικές συγκεντρώσεις έδειξαν πως το ασβέστιο συνδέεται με τα ανθρακικά άλατα και αφήνει το φωσφορικό άλας ελεύθερο στο νερό.
«Είναι μια αρκετά “ευθεία” ιδέα, και αυτό είναι που την κάνει ελκυστική» είπε ο Τόνερ. «Λύνει το φωσφορικό πρόβλημα με κομψό και αληθοφανή τρόπο».
Τα επίπεδα φωσφορικού άλατος μπορούν να ανέβουν ακόμα πιο ψηλά στο αλμυρό νερό, όταν τα νερά των λιμνών εξατμίζονται κατά την ξηρασία ή σε λιμνούλες μακριά από τους κύριους όγκους νερών.
«Τα εξαιρετικά υψηλά επίπεδα φωσφορικού άλατος σε αυτές τις λίμνες και λιμνούλες θα προκαλούσαν αντιδράσεις που εισάγουν φώσφορο στα μοριακά δομικά συστατικά του RNA, των πρωτεϊνών και των λιπών- όλα εκ των οποίων χρειάζονται για να προχωρήσει η ζωή» είπε άλλος ένας εκ των ερευνητών, ο Ντέιβιντ Κάτλινγκ, καθηγητής γεωεπιστημών και επιστημών διαστήματος στο UW.
O πλούσιος σε διοξείδιο του άνθρακα αέρας της πρώιμης Γης, πριν από τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια, θα ήταν ιδανικός για τη δημιουργία τέτοιων λιμνών και θα επέτρεπε την επίτευξη των μέγιστων δυνατών επιπέδων φωσφόρου. Οι πλούσιες σε ανθρακικά άλατα λίμνες τείνουν να σχηματίζονται σε ατμόσφαιρες με υψηλά επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα. Επιπλέον, το διοξείδιο διαλυεται στο νερό, δημιουργώντας συνθήκες που οδηγούν στην αποδέσμευση φωσφόρου από βράχους.
«Η πρώιμη Γη ήταν ένα ηφαιστειακά ενεργό μέρος, οπότε θα υπήρχε πολύς φρέσκος ηφαιστειακός βράχος να αντιδρά με διοκείδιο του άνθρακα και να παρέχει ανθρακικό άλας και φώσφορο σε λίμνες» είπε ο Τόνερ. «Η πρώιμη Γη μπορεί να είχε πολλές πλούσιες σε ανθρακικό άλας λίμνες, που θα είχαν υψηλές συγκεντρώσεις φωσφόρου για να αρχίσει η ζωή».
Μια άλλη πρόσφατη έρευνα από τους δύο ερευνητές έδειξε πως αυτά τα είδη λιμνών μπορούν επίσης να παρέχουν άφθονα κυανίδια για να υποστηρίξουν τον σχηματισμό αμινοξέων και νουκλεοτιδίων, των δομικών στοιχείων πρωτεϊνών, DNA και RNA. Προηγουμένως οι ερευνητές δυσκολεύονταν να βρουν ένα φυσικό περιβάλλον με επαρκή κυανίδια για να υποστηρίζει την εμφάνιση ζωής. Το κυάνιο είναι δηλητηριώδες στους ανθρώπους, μα όχι σε αρχέγονα μικρόβια, και είναι κρίσιμης σημασίας για το είδος των χημικών διεργασιών που δημιουργούν τα δομικά συστατικά της ζωής.
