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生命是如何形成的?研发发现生命或起源于磷含量高的湖泊中

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我们知道生命需要磷。磷是生命的六种主要化学元素之一,它构成DNA和RNA分子的骨架,是所有细胞中能量的主要来源,是将细胞与周围环境分开的脂质。

但是,地球早期没有生命的环境是如何提供这种关键成分的呢?

华盛顿大学地球与空间科学研究助理教授乔纳森·托纳(Jonathan Toner)说:“五十年来,所谓的‘磷酸盐问题’一直困扰着人们对生命起源的研究。”

问题在于,构成生物组成部分的化学反应需要大量的磷,而磷却很少。威斯康星大学的一项新研究于12月30日发表在《美国国家科学院院刊》上,该研究在某些类型的湖泊中找到了这个问题的答案。

这项研究的重点是富含碳酸盐的湖泊,这些湖泊形成于干燥环境中的洼地,这些湖泊汇集了从周围景观中流失的水。由于蒸发速率高,湖泊水集中成盐和碱性或高pH值的溶液。在所有七大洲都发现了此类湖泊,也称为碱湖或苏打湖。

研究人员首先研究了现有碳酸盐含量丰富的湖泊中的磷含量,包括加利福尼亚州的莫诺湖,肯尼亚的马加迪湖和印度的罗纳尔湖。

尽管确切的浓度取决于样品的采集地点和季节,但研究人员发现,富含碳酸盐的湖泊的磷含量是海水、河流和其他类型湖泊中的50,000倍。如此高的磷浓度表明,这些湖泊中存在着某种常见的自然机制,可以积累磷。

如今,这些富含碳酸盐的湖泊具有丰富的生物资源,并支持从微生物到马加迪湖著名的火烈鸟群的各种生命。这些生物影响湖泊的化学物质。因此,研究人员使用不同化学成分的富含碳酸盐的水进行了实验室实验,以了解湖泊如何积聚磷,以及在无生命的环境中如何获得高浓度的磷。

这些水含磷高的原因是其碳酸盐含量。在大多数湖泊中,在大多数湖泊中,地球上含量丰富得多的钙与磷结合形成固态磷酸钙矿物质,而这些矿物质是生命所无法获得的。但是在富含碳酸盐的水中,碳酸盐比磷酸盐更能与钙结合,而使某些磷酸盐未结合。结合不同浓度成分的实验室测试表明,钙会与碳酸盐结合,并使磷酸盐自由地存在于水中。

“这是一个直截了当的想法,这正是它的吸引力所在。” 托纳说, “它以一种优雅而合理的方式解决了磷酸盐问题。”

当湖水在干旱季节,沿海岸线或与湖泊主体分开的水池中蒸发时,磷酸盐含量甚至可能攀升至海水的百万分之一。

论文共同作者华盛顿大学地球与空间科学教授David Catling说:“这些湖泊和池塘中极高的磷酸盐含量会促使反应使磷进入RNA、蛋白质和脂肪的分子结构单元,这些都是生命必需的。”

大约40亿年前,地球早期富含二氧化碳的空气对于形成此类湖泊并使其达到最高磷含量而言是理想环境。富含碳酸盐的湖泊倾向于在二氧化碳含量高的大气中形成。另外,二氧化碳溶解在水中,形成酸性条件,可有效地从岩石中释放磷。

“早期地球火山十分活跃,所以会有很多新鲜的火山岩与二氧化碳发生反应,并向湖泊供应碳酸盐和磷。” 托纳说,“早期地球可能拥有许多富含碳酸盐的湖泊,这些湖泊中的磷浓度足够高,可以开始生命。”

两位作者的另一项最新研究表明,这些类型的湖泊还可以提供丰富的氰化物,以支持氨基酸和核苷酸的形成,它是蛋白质、DNA和RNA的组成部分。在此之前,研究人员一直在努力寻找具有足够氰化物以支持生命起源的自然环境。氰化物对人类有毒,但对原始微生物却无害,并且对于容易构成生命的化学物质至关重要。

这项研究是由西蒙斯基金会的“生命起源”合作组织资助的。

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