Livet som vi känner det kräver fosfor. Det är ett av livets sex huvudsakliga kemiska element, det bildar ryggraden i DNA- och RNA-molekyler, fungerar som den huvudsakliga valutan för energi i alla celler och förankrar de lipider som separerar celler från sin omgivande miljö.

Men hur försåg en livlös miljö på den tidiga jorden denna nyckelingrediens?

"I 50 år, det som kallas fosfatproblemet, ' har plågat studier om livets ursprung, " sa första författaren Jonathan Toner, en forskningsassistent professor vid University of Washington i jord- och rymdvetenskap.

Problemet är att kemiska reaktioner som gör byggstenarna i levande varelser behöver mycket fosfor, men fosfor är knappt. En ny UW-studie, publicerad 30 december i Proceedings of the National Academy of Sciences , finner ett svar på detta problem i vissa typer av sjöar.

Studien fokuserar på karbonatrika sjöar, som bildas i torra miljöer i sänkor som leder vatten som rinner ut från det omgivande landskapet. På grund av höga avdunstningshastigheter, sjövattnet koncentreras till salt och alkaliskt, eller högt pH, lösningar. Sådana sjöar, även känd som alkaliska eller sodasjöar, finns på alla sju kontinenter.

Forskarna tittade först på fosformätningar i befintliga karbonatrika sjöar, inklusive Mono Lake i Kalifornien, Lake Magadi i Kenya och Lonar Lake i Indien.

Medan den exakta koncentrationen beror på var proverna togs och under vilken säsong, forskarna fann att karbonatrika sjöar har upp till 50, 000 gånger fosfornivåer som finns i havsvatten, floder och andra typer av sjöar. Så höga koncentrationer pekar på att det finns några vanliga, naturlig mekanism som ackumulerar fosfor i dessa sjöar.

Idag är dessa karbonatrika sjöar biologiskt rika och stödjer liv från mikrober till Magadis berömda flockar av flamingoer. Dessa levande varelser påverkar sjöns kemi. Så forskare gjorde labbexperiment med flaskor med karbonatrikt vatten i olika kemiska sammansättningar för att förstå hur sjöarna ackumulerar fosfor, och hur höga fosforhalter kan bli i en livlös miljö.

Anledningen till att dessa vatten har högt fosfor är deras karbonatinnehåll. I de flesta sjöar, kalcium, som är mycket rikligare på jorden, binder till fosfor för att göra fasta kalciumfosfatmineraler, som livet inte kan komma åt. Men i karbonatrika vatten, karbonatet konkurrerar ut fosfat att binda till kalcium, lämnar en del av fosfatet obunden. Laboratorietester som kombinerade ingredienser i olika koncentrationer visar att kalcium binder till karbonat och lämnar fosfatet fritt tillgängligt i vattnet.

"Det är en okomplicerad idé, vilket är dess överklagande, " Sa Toner. "Det löser fosfatproblemet på ett elegant och rimligt sätt."

Fosfatnivåerna kan klättra ännu högre, till en miljon gånger nivåer i havsvatten, när sjövatten avdunstar under torra årstider, längs strandlinjerna, eller i pooler separerade från huvuddelen av sjön.

"De extremt höga fosfatnivåerna i dessa sjöar och dammar skulle ha drivit reaktioner som satte fosfor i de molekylära byggstenarna av RNA, proteiner, och fetter, allt som behövdes för att få livet att gå, " sa medförfattaren David Catling, en UW-professor i jord- och rymdvetenskap.

Den koldioxidrika luften på den tidiga jorden, för ungefär fyra miljarder år sedan, skulle ha varit idealiskt för att skapa sådana sjöar och låta dem nå maximala fosfornivåer. Karbonatrika sjöar tenderar att bildas i atmosfärer med hög koldioxidhalt. Plus, koldioxid löses i vatten för att skapa sura förhållanden som effektivt frigör fosfor från stenar.

"Den tidiga jorden var en vulkaniskt aktiv plats, så du skulle ha haft massor av färsk vulkanisk sten som reagerar med koldioxid och levererar karbonat och fosfor till sjöar, " Sa Toner. "Den tidiga jorden kunde ha varit värd för många karbonatrika sjöar, som skulle ha haft tillräckligt höga fosforkoncentrationer för att få igång livet."

En annan nyligen genomförd studie av de två författarna visade att dessa typer av sjöar också kan ge rikligt med cyanid för att stödja bildandet av aminosyror och nukleotider, byggstenarna i proteiner, DNA och RNA. Innan dess hade forskare kämpat för att hitta en naturlig miljö med tillräckligt med cyanid för att stödja livets ursprung. Cyanid är giftigt för människor, men inte för primitiva mikrober, och är avgörande för den typ av kemi som lätt gör livets byggstenar.