Οι ρηχές λίμνες σόδας ως κοιτίδες ζωής στη Γη

Αυτή η πανοραμική άποψη δείχνει τη Λίμνη Last Chance  στο δυτικό Καναδά τον Νοέμβριο του 2021, όταν η λίμνη έχει συρρικνωθεί σε πολλές μικρότερες πισίνες και έχει σχηματιστεί πάγος στην κορυφή κάθε πισίνας. Δύο ερευνητές του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον στέκονται στην παγωμένη επιφάνεια της λίμνης. Φωτογραφία: Kimberly Poppy Sinclair/Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον.

Ο Κάρολος Δαρβίνος πρότεινε ότι η ζωή θα μπορούσε να είχε αναδυθεί σε μια «ζεστή μικρή λίμνη» με το σωστό κοκτέιλ χημικών και ενέργειας. Μια μελέτη από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, που δημοσιεύτηκε αυτό το μήνα στο Communications Earth & Environment , αναφέρει ότι μια ρηχή «λίμνη σόδας» στο δυτικό Καναδά δείχνει πολλά υποσχόμενη για την αντιστοίχιση αυτών των απαιτήσεων. Τα ευρήματα παρέχουν νέα υποστήριξη ότι η ζωή θα μπορούσε να είχε αναδυθεί από λίμνες στην πρώιμη Γη, περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια πριν.

Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες, τα πολύπλοκα μόρια της ζωής μπορούν να αναδυθούν αυθόρμητα. Τα βιολογικά μόρια μπορούν να δημιουργηθούν από ανόργανα μόρια. Στην πραγματικότητα, πολύ καιρό μετά την πραγματική ανακάλυψη της εποχής του 1950 που δημιούργησε τα αμινοξέα, τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών, πιο πρόσφατες εργασίες έχουν δημιουργήσει τα δομικά στοιχεία του RNA. Αλλά αυτό το επόμενο βήμα απαιτεί εξαιρετικά υψηλές συγκεντρώσεις φωσφορικών αλάτων .

Τα φωσφορικά άλατα αποτελούν τη «ραχοκοκαλιά» του RNA και του DNA και είναι επίσης βασικό συστατικό των κυτταρικών μεμβρανών. Οι συγκεντρώσεις φωσφορικών αλάτων που απαιτούνται για να σχηματιστούν αυτά τα βιομόρια στο εργαστήριο είναι εκατοντάδες έως ένα εκατομμύριο φορές υψηλότερες από τα επίπεδα που συνήθως βρίσκονται σε ποτάμια, λίμνες ή στον ωκεανό. Αυτό έχει ονομαστεί «πρόβλημα με φωσφορικά άλατα» για την εμφάνιση της ζωής - ένα πρόβλημα που οι λίμνες σόδας μπορεί να έχουν λύσει.

«Πιστεύω ότι αυτές οι λίμνες σόδας παρέχουν μια απάντηση στο πρόβλημα των φωσφορικών αλάτων», δήλωσε ο ανώτερος συγγραφέας Ντέιβιντ Κάτλινγκ, καθηγητής της Γης και των Διαστημικών Επιστημών στο UW. «Η απάντησή μας είναι ελπιδοφόρα: Αυτό το περιβάλλον θα πρέπει να συμβεί στην πρώιμη Γη, και πιθανώς σε άλλους πλανήτες, γιατί είναι απλώς ένα φυσικό αποτέλεσμα του τρόπου με τον οποίο δημιουργούνται οι πλανητικές επιφάνειες και του πώς λειτουργεί η χημεία του νερού».

Οι λίμνες σόδας πήραν το όνομά τους από το ότι έχουν υψηλά επίπεδα διαλυμένου νατρίου και ανθρακικού, παρόμοια με τη διαλυμένη μαγειρική σόδα. Αυτό συμβαίνει από τις αντιδράσεις μεταξύ του νερού και των ηφαιστειακών πετρωμάτων από κάτω. Οι λίμνες σόδας μπορούν επίσης να έχουν υψηλά επίπεδα διαλυμένου φωσφορικού άλατος.

Προηγούμενη έρευνα του UW το 2019 διαπίστωσε ότι οι χημικές συνθήκες για την ανάδυση της ζωής θα μπορούσαν θεωρητικά να συμβούν σε λίμνες σόδας. Οι ερευνητές συνδύασαν χημικά μοντέλα με εργαστηριακά πειράματα για να δείξουν ότι οι φυσικές διεργασίες μπορούν θεωρητικά να συγκεντρώσουν φωσφορικά άλατα σε αυτές τις λίμνες σε επίπεδα έως και 1 εκατομμύριο φορές υψηλότερα από τα τυπικά νερά.

Μέλη της ερευνητικής ομάδας περπατούν στην επιφάνεια της λίμνης Last Chance Lake τον Σεπτέμβριο του 2022. Στο τέλος του καλοκαιριού, το νερό έχει σχεδόν εξατμισθεί, αφήνοντας μια αλμυρή κρούστα στην επιφάνεια. Αλλά το νερό παραμένει κάτω στις κοιλότητες, και μαλακά ιζήματα κάθονται από κάτω, δημιουργώντας μια κάπως ύπουλη δομή για να περπατήσετε. Φωτογραφία: Zack Cohen/Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον.

Για τη νέα μελέτη, η ομάδα ξεκίνησε να μελετήσει ένα τέτοιο περιβάλλον στη Γη. Κατά σύμπτωση, ο πιο πολλά υποσχόμενος υποψήφιος ήταν  το υψηλότερο γνωστό επίπεδο φυσικών φωσφορικών αλάτων στην επιστημονική βιβλιογραφία στο Last Chance Lake στην ενδοχώρα της Βρετανικής Κολομβίας του Καναδά, περίπου επτά ώρες οδικώς από το Σιάτλ.

Τι είναι η λίμνη σόδας;

Η λίμνη έχει βάθος περίπου ένα πόδι και έχει θολά νερά με κυμαινόμενα επίπεδα. Βρίσκεται σε ομοσπονδιακή γη στο τέλος ενός σκονισμένου χωματόδρομου στο οροπέδιο Cariboo,  της Βρετανικής Κολομβίας. Η ρηχή λίμνη πληροί τις απαιτήσεις για μια λίμνη σόδας: μια λίμνη πάνω από ηφαιστειακό πέτρωμα (στην προκειμένη περίπτωση, βασάλτη) σε συνδυασμό με μια ξηρή, θυελλώδη ατμόσφαιρα που εξατμίζει το εισερχόμενο νερό για να διατηρεί χαμηλά τα επίπεδα του νερού και συγκεντρώνει διαλυμένες ενώσεις μέσα στη λίμνη.

Η ανάλυση που δημοσιεύτηκε δείχνει ότι οι λίμνες σόδας είναι ισχυρός υποψήφιος για την εμφάνιση ζωής στη Γη. Θα μπορούσαν επίσης να είναι υποψήφιοι για ζωή σε άλλους πλανήτες.

«Μελετήσαμε ένα φυσικό περιβάλλον που θα έπρεπε να είναι κοινό σε όλο το ηλιακό σύστημα. Τα ηφαιστειακά πετρώματα είναι διαδεδομένα στις επιφάνειες των πλανητών, επομένως αυτή η ίδια χημεία του νερού θα μπορούσε να είχε συμβεί όχι μόνο στην πρώιμη Γη, αλλά και στον πρώιμο Άρη και την πρώιμη Αφροδίτη, αν ήταν υγρή υπήρχε νερό», είπε ο επικεφαλής συγγραφέας Sebastian Haas, μεταδιδακτορικός ερευνητής του UW στις επιστήμες της Γης και του Διαστήματος.

Η ομάδα του UW επισκέφτηκε τη λίμνη Last Chance τρεις φορές από το 2021 έως το 2022. Έκαναν παρατηρήσεις στις αρχές του χειμώνα, όταν η λίμνη καλύφθηκε από πάγο, στις αρχές του καλοκαιριού, όταν οι βροχερές πηγές και τα ρυάκια που τροφοδοτούνται από χιόνι βάζουν το νερό στο υψηλότερο επίπεδο και στα τέλη του καλοκαιριού όταν η λίμνη είχε σχεδόν στεγνώσει τελείως.

«Έχετε αυτό το φαινομενικά ξηρό αλάτι, αλλά υπάρχουν γωνίες και σχισμές.. Και ανάμεσα στο αλάτι και το ίζημα υπάρχουν μικροί θύλακες νερού που έχουν πραγματικά υψηλή περιεκτικότητα σε διαλυμένο φωσφορικό άλας», είπε ο Haas. «Αυτό που θέλαμε να καταλάβουμε ήταν γιατί και πότε θα μπορούσε να συμβεί αυτό στην αρχαία Γη, προκειμένου να παράσχουμε ένα λίκνο για την προέλευση της ζωής».

Ο Sebastian Haas κρατά ένα κομμάτι της κρούστας αλατιού από τη Last Chance Lake με πράσινα φύκια στη μέση και μαύρο ίζημα στο κάτω μέρος. Φωτογραφία: David Catling/Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον.

Και στις τρεις επισκέψεις η ομάδα συνέλεξε δείγματα νερού, ιζημάτων λίμνης και κρούστας αλατιού για να κατανοήσει τη χημεία της λίμνης.

Πληρούν τις απαιτήσεις για τη χημεία προέλευσης της ζωής;

Στις περισσότερες λίμνες το διαλυμένο φωσφορικό άλας συνδυάζεται γρήγορα με το ασβέστιο για να σχηματίσει φωσφορικό ασβέστιο, το αδιάλυτο υλικό που συνθέτει το σμάλτο των δοντιών μας. Αυτό αφαιρεί τα φωσφορικά από το νερό. Αλλά στη λίμνη Last Chance Lake, το ασβέστιο συνδυάζεται με άφθονο ανθρακικό καθώς και με μαγνήσιο για να σχηματίσει δολομίτη, το ίδιο ορυκτό που σχηματίζει γραφικές οροσειρές. Αυτή η αντίδραση είχε προβλεφθεί από την προηγούμενη εργασία μοντελοποίησης και επιβεβαιώθηκε όταν ο δολομίτης ήταν άφθονος στα ιζήματα της Last Chance Lake. Όταν το ασβέστιο μετατρέπεται σε δολομίτη και δεν παραμένει στο νερό, το φωσφορικό άλας στερείται δεσμευτικού εταίρου—και έτσι η συγκέντρωσή του αυξάνεται

«Αυτή η μελέτη προσθέτει σε αυξανόμενες ενδείξεις ότι οι λίμνες σόδας είναι περιβάλλοντα που πληρούν τις απαιτήσεις για τη χημεία προέλευσης της ζωής, συσσωρεύοντας βασικά συστατικά σε υψηλές συγκεντρώσεις», είπε ο Catling.

Η μελέτη συνέκρινε επίσης την Last Chance Lake με τη Goodenough Lake, μια λίμνη βάθους περίπου τριών ποδιών με καθαρότερο νερό και διαφορετική χημεία μόλις δύο λεπτά με τα πόδια, για να μάθει τι κάνει τη Last Chance Lake μοναδική. Οι ερευνητές αναρωτήθηκαν γιατί η ζωή, που υπάρχει σε όλες τις σύγχρονες λίμνες σε κάποιο επίπεδο, δεν καταναλώνει τα φωσφορικά άλατα στη λίμνη Last Chance Lake.

Η λίμη Goodenough Lake έχει χαλάκια από κυανοβακτήρια που εξάγουν ή «διορθώνουν» αέριο άζωτο από τον αέρα. Τα κυανοβακτήρια, όπως όλες οι άλλες μορφές ζωής, απαιτούν επίσης φωσφορικά άλατα - και ο αυξανόμενος πληθυσμός τους καταναλώνει μέρος της παροχής φωσφορικού νερού της λίμνης . Αλλά η λίμνη Last Chance είναι τόσο αλμυρή που αναστέλλει τα ζωντανά όντα που κάνουν την ενεργοβόρα εργασία της στερέωσης του ατμοσφαιρικού αζώτου. Η Last Chance Lake φιλοξενεί μερικά φύκια, αλλά έχει ανεπαρκές διαθέσιμο άζωτο για να φιλοξενήσει περισσότερη ζωή, επιτρέποντας τη συσσώρευση φωσφορικών αλάτων. Αυτό το καθιστά επίσης καλύτερο ανάλογο για μια άψυχη Γη.

«Αυτά τα νέα ευρήματα θα βοηθήσουν στην ενημέρωση των ερευνητών της προέλευσης της ζωής που είτε αναπαράγουν αυτές τις αντιδράσεις στο εργαστήριο είτε αναζητούν δυνητικά κατοικήσιμα περιβάλλοντα σε άλλους πλανήτες», είπε ο Catling.

Γεωδίφης με πληροφορίες από την σελίδα phys.org

περισσότερα,

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

https://www.washington.edu/