Fosfatlöslighet i anoxiskt havsvatten vid 25°C. Vid pH>7,2–7,7 begränsas totalt vattenhaltigt fosfat av lösligheten av greenalit och oktakalciumfosfat (OCP), medan det vid pH <7,2–7,7 begränsas av OCP och vivianitlöslighet. Heldragna linjer antar modern katjonsammansättning ([SO4] = 0) vid varierande salthalter. Streckade linjer omfattar katjonkompositioner med ändelement för prebiotiskt havsvatten (streckade streckade linjer:två vätskekompositioner med hög Mg och hög Ca, härledda från interaktionen mellan komatiit och CO2 -rika vätskor vid två olika vatten:berg-förhållanden; långa streckade linjer:två hög-Mg- och hög-Ca-vätskekompositioner härledda från interaktionen mellan basalt och CO2 -rika vätskor vid två olika vatten:berg-förhållanden; kort streckad linje:modellerad hög-Ca- och låg-Mg-komposition som antar förhöjt hydrotermiskt vattenflöde och moderna proportioner av Mg-avlägsnande vid ventilationsvätskor nära och utanför axeln). Alla beräkningar bibehåller jämvikt med 0,1 bar atmosfärisk pCO2 . Modelluppskattade pH-värden för Hadean och senarkeiskt havsvatten visas som grå staplar. Kredit:Nature Communications (2022). DOI:10.1038/s41467-022-32815-x
Problemet med hur fosfor blev en universell ingrediens för liv på jorden kan ha lösts av forskare från University of Cambridge och University of Cape Town, som har återskapat urhavsvatten som innehåller grundämnet i labbet.
Deras resultat, publicerade i tidskriften Nature Communications , visar att havsvatten kan vara den saknade källan till fosfat, vilket innebär att det kunde ha varit tillgängligt i tillräckligt stor skala för livet utan att kräva speciella miljöförhållanden.
"Detta kan verkligen förändra hur vi tänker om de miljöer där livet först uppstod", säger medförfattaren professor Nick Tosca från Cambridges institution för geovetenskaper.
Studien, som leddes av Matthew Brady, en Ph.D. student från Cambridges institution för geovetenskaper, visar att tidigt havsvatten kunde ha hållit tusen till tio tusen gånger mer fosfat än tidigare uppskattat – så länge som vattnet innehöll mycket järn.
Fosfat är en viktig ingrediens för att skapa livets byggstenar – som utgör en nyckelkomponent i DNA och RNA – men det är ett av de minst förekommande elementen i kosmos i förhållande till dess biologiska betydelse. I sin mineralform är fosfat också relativt otillgängligt – det kan vara svårt att lösa upp i vatten så att livet kan använda det.
Forskare har länge misstänkt att fosfor tidigt blev en del av biologin, men de har först nyligen börjat inse fosfatets roll i att styra syntesen av molekyler som krävs av livet på jorden. "Experiment visar att det får fantastiska saker att hända - kemister kan syntetisera avgörande biomolekyler om det finns mycket fosfat i lösningen," sa Tosca.
Men den exakta miljön som behövs för att producera fosfat har varit ett diskussionsämne. Vissa studier har föreslagit att när järn är rikligt borde fosfat faktiskt vara ännu mindre tillgängligt för livet. Detta är dock kontroversiellt eftersom den tidiga jorden skulle ha haft en syrefattig atmosfär där järn skulle ha varit utbrett.
För att förstå hur livet kom att bero på fosfat, och vilken typ av miljö som detta element skulle ha bildats i, utförde de geokemiska modeller för att återskapa tidiga förhållanden på jorden.
"Det är spännande att se hur enkla experiment i en flaska kan störta vårt tänkande om de förhållanden som fanns på den tidiga jorden," sa Brady.
I labbet skapade de havsvatten med samma kemi som troddes ha funnits i jordens tidiga historia. De körde också sina experiment i en atmosfär svalt på syre, precis som på den antika jorden.
Teamets resultat tyder på att havsvatten i sig kunde ha varit en viktig källa till detta väsentliga element.
"Detta betyder inte nödvändigtvis att livet på jorden startade i havsvatten," sa Tosca, "det öppnar upp för många möjligheter för hur havsvatten kunde ha tillfört fosfat till olika miljöer - till exempel sjöar, laguner eller strandlinjer där havsspruta kunde ha fört fosfatet till land."
Tidigare hade forskare kommit på en rad olika sätt att generera fosfat, några teorier som involverade speciella miljöer som sura vulkankällor eller alkaliska sjöar, och sällsynta mineraler som bara finns i meteoriter.
"Vi hade en aning om att järn var nyckeln till fosfatlöslighet, men det fanns helt enkelt inte tillräckligt med data," sa Tosca. Idén till teamets experiment kom när de tittade på vatten som badar sediment avsatta i det moderna Östersjön. "Det är ovanligt eftersom det är högt i både fosfat och järn - vi började undra vad som var så annorlunda med just det vattnet."
I sina experiment tillsatte forskarna olika mängder järn till en rad syntetiska havsvattenprover och testade hur mycket fosfor det kunde hålla innan kristaller bildades och mineraler separerade från vätskan. De byggde sedan in dessa datapunkter i en modell som kunde förutsäga hur mycket fosfat forntida havsvatten kunde innehålla.
Östersjöns porvatten gav en uppsättning moderna prover som de använde för att testa sin modell. "Vi kunde reproducera den ovanliga vattenkemin perfekt", sa Tosca. Därifrån fortsatte de för att utforska havsvattnets kemi innan någon biologi fanns på plats.
Resultaten har också konsekvenser för forskare som försöker förstå möjligheterna för liv bortom jorden. "Om järn hjälper till att sätta mer fosfat i lösningen kan detta ha relevans för tidigt Mars", sa Tosca.
Bevis för vatten på forntida Mars är rikligt, inklusive gamla flodbäddar och översvämningsavlagringar, och vi vet också att det fanns mycket järn vid ytan och atmosfären var ibland syrefattig, sa Tosca.
Deras simuleringar av ytvatten som filtrerar genom stenar på Mars yta tyder på att järnrikt vatten kan ha tillfört fosfater även i denna miljö.
"Det kommer att bli fascinerande att se hur samhället använder våra resultat för att utforska nya, alternativa vägar för livets utveckling på vår planet och bortom," sa Brady. + Utforska vidare
