加拿大浅碱水湖有望成为地球生命的摇篮
近日，华盛顿大学发表在《通讯地球与环境》期刊上的一项研究报告称，加拿大西部的一个浅碱水湖（Last Chance Lake）有望满足孕育生命起源的要求。研究结果为这一结论提供了支持——约40亿年前，地球早期的湖泊中可能出现了生命。
（2022年9月，研究团队走过Last Chance Lake的湖面。夏末，水几乎全部蒸发，在表面留下一层咸的外壳。但是，水在外壳下面的低洼处和洞穴中持续存在，下面有柔软的沉积物，形成了一个有点危险的可供行走的类似于“奶油布丁”的结构。图源：Zack Cohen/华盛顿大学）
在适当的条件下，复杂的生命分子可以自发出现。20世纪50年代，发现制造出了氨基酸（蛋白质的组成部分）后，最近制造了RNA的组成部分，下一步需要极高的磷酸盐浓度。
磷酸盐形成RNA和DNA的“骨架”，也是细胞膜的关键组成部分。在实验室中形成这些生物分子所需的磷酸盐浓度比通常在河流、湖泊或海洋中发现的水平高出数亿到100万倍。促成生命出现的“磷酸盐问题”——加拿大的这一浅碱水湖可能已经解决了这个问题。
资深作者、华盛顿大学地球与空间科学教授David Catling说:“我认为这些碱水湖为磷酸盐问题提供了答案。这种环境应该发生在早期地球上，也可能发生在其他行星上，因为这只是行星表面形成和水化学运作的自然结果。”
碱水湖因其溶解的钠和碳酸盐含量高而得名。这是由于水和下面火山岩之间的反应引起的。碱水湖也可能含有高水平的溶解磷酸盐。
2019年，华盛顿大学在其研究中发现，理论上，碱水中可能存在生命出现的化学条件。研究人员将化学模型与实验室实验相结合，研究表明自然过程理论上可以将这些湖泊中的磷酸盐浓缩到比典型水域高出100万倍的水平。
Last Chance Lake约一英尺深，湖水浑浊，水位波动, 坐落在加拿大不列颠哥伦比亚省牧区卡里布高原一条尘土飞扬的土路尽头。该浅湖符合碱水湖的要求：火山岩（具体为玄武岩）上方的湖泊与干燥、多风的大气相结合，蒸发流入的水以保持低水位，并将溶解的化合物集中在湖中。
该论文的第一作者、华盛顿大学地球和空间科学博士后研究员Sebastian Haas说：“我们研究了一种在整个太阳系都很常见的自然环境。火山岩在行星表面很普遍，所以如果存在液态水，这种水化学不仅可能发生在早期地球上，也可能发生在火星和金星早期。”
从2021年到2022年，华盛顿大学研究团队三次造访Last Chance Lake，在初冬（此时湖面被冰覆盖）收集观测数据。初夏，雨水灌溉的泉水和融雪灌溉的溪流使该湖达到最高水位；在夏末，湖水几乎完全干涸。
Haas说：“这片看似干燥的盐滩，但有一些角落和缝隙。在盐和沉积物之间，有一些小水滴，溶解磷酸盐含量非常高。我们想了解的是，为什么以及何时会在古老的地球上发生这种情况，以便为生命的起源提供一个摇篮。”
在所有三次访问中，该团队都收集了水、湖泊沉积物和盐壳的样本，以了解湖泊的化学成分。
在大多数湖泊中，溶解的磷酸盐很快与钙结合形成磷酸钙，这是一种不溶性物质，构成了我们的牙釉质。这样可以去除水中的磷酸盐。但在Last Chance Lake，钙与丰富的碳酸盐和镁结合形成白云石，这种矿物形成了风景如画的山脉。之前的模拟工作预测了这种反应，并在该湖沉积物中富含白云石时得到了证实。当钙变成白云石而不留在水中时，磷酸盐缺乏结合伙伴，因此其浓度上升。
Catling教授说：“这项研究进一步强化了浅碱水湖是满足生命起源化学要求的环境的证据，它通过在高浓度积累关键成分来实现。”
这项研究还将Last Chance Lake与Goodenough Lake进行了比较，以了解Last Chance Lake的独特之处。Goodenough Lake是一个大约三英尺深的湖泊，距离Last Chance Lake只有两分钟的步行路程，水更清澈，化学成分也不同。研究人员想知道，为什么所有现代湖泊中都存在某种程度的生命，却没有耗尽Last Chance Lake湖中的磷酸盐。
Goodenough Lake有大量的蓝藻，可以从空气中提取或“固定”氮气。蓝细菌和所有其他生命形式一样，也需要磷酸盐——其不断增长的种群消耗了部分湖水的磷酸盐供应。但Last Chance Lake的盐度太高，抑制了那些从事固定大气氮的高耗能工作的生物。Last Chance Lake有一些藻类，但没有足够的可用氮来容纳更多的生命，从而使磷酸盐积累。这也使它更好地模拟了一个没有生命的地球。
Catling教授说：“这些新发现将有助于为研究生命起源的科学家们提供信息，要么在实验室中复制这些反应，要么在其他行星上寻找潜在的宜居环境。”
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文 | Daisy
审 | LYJ
排版 | Daisy
【拓展阅读】
【参考链接】
1.https://www.nature.com/articles/s43247-023-01192-8
2.https://www.eurekalert.org/news-releases/1032028
3.https://phys.org/news/2024-01-shallow-soda-lakes-cradles-life.html
4.https://astrobiology.com/2024/01/shallow-soda-lakes-show-promise-as-cradles-of-life-on-earth.html
5.Citation: Sebastian Haas et al, Biogeochemical explanations for the world's most phosphate-rich lake, an origin-of-life analog, Communications Earth & Environment (2024). DOI: 10.1038/s43247-023-01192-8
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