浅“苏打湖”有望成为地球生命的摇篮

熊明青

这张全景照片显示了2021年11月加拿大西部的Last Chance湖，当时该湖已经缩小为许多较小的水池，每个水池的顶部都结了冰。两名华盛顿大学的研究人员站在湖面上。致谢:金伯利·波比·辛克莱/华盛顿大学

（）据华盛顿大学（汉娜·希基）：查尔斯·达尔文提出，生命可能是在一个“温暖的小池塘”中出现的，那里有适当的化学物质和能量。华盛顿大学的一项研究发表在本月的《地球与环境通讯》上，报告称加拿大西部的一个浅“苏打湖”有望满足这些要求。这些发现为大约40亿年前地球早期的湖泊中可能出现生命提供了新的支持。

科学家们已经知道，在适当的条件下，复杂的生命分子可以自发出现。正如最近轰动一时的小说《化学课》中所虚构的那样，生物分子可以被诱导从无机分子中形成。事实上，在现实生活中20世纪50年代的发现制造了蛋白质的组成部分氨基酸之后很久，最近的工作已经制造了RNA的组成部分。但是下一步需要极高的磷酸盐浓度。

磷酸盐构成了RNA和DNA的“骨架”，也是细胞膜的关键成分。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浓度高出数百至一百万倍。这被称为生命出现的“磷酸盐问题”——苏打湖可能已经解决了这个问题。

“我认为这些苏打湖为磷酸盐问题提供了答案，”资深作者、UW地球和空间科学教授大卫·凯特林说。“我们的答案是充满希望的:这种环境应该发生在早期地球上，很可能也发生在其他行星上，因为这只是行星表面形成方式和水化学工作方式的自然结果。”

苏打湖得名于其高含量的溶解钠和碳酸盐，类似于溶解的小苏打。这是由水和下面的火山岩之间的反应产生的。苏打湖也可能含有高含量的溶解磷酸盐。

此前UW在2019年的研究发现，生命出现的化学条件理论上可能出现在苏打湖里。研究人员将化学模型与实验室实验相结合，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100万倍的水平。



2022年9月，研究小组成员走过最后一次机会湖的湖面。夏天结束时，水几乎全部蒸发了，在表面留下了一层咸的硬壳。但是水在下面的洞穴和凹穴中持续存在，柔软的沉积物位于下面，创造了一个有点危险的奶油状结构来行走。致谢:扎克·科恩/华盛顿大学

对于这项新研究，研究小组开始研究地球上的这种环境。巧合的是，最有希望的候选人就在开车的距离之内。在一篇20世纪90年代的硕士论文结尾，隐藏着科学文献中已知的最高天然磷酸盐水平。该湖位于加拿大不列颠哥伦比亚省内陆，距西雅图约7小时车程。

这个湖大约一英尺深，湖水浑浊，水位起伏不定。它坐落在不列颠哥伦比亚省牧场区卡里布高原一条尘土飞扬的土路尽头的联邦土地上。这个浅湖符合苏打湖的要求:一个位于火山岩（在这种情况下是玄武岩）上方的湖泊，结合了干燥、多风的大气，蒸发引入的水以保持低水位，并将溶解的化合物集中在湖中。

发表在新论文中的分析表明，苏打湖是地球上生命出现的有力候选。它们也可能是其他星球上生命的候选者。

“我们研究了一种在整个太阳系中应该很常见的自然环境。火山岩石在行星表面普遍存在，因此如果液态水存在的话，这种相同的水化学可能不仅出现在早期地球上，也可能出现在早期火星和早期金星上，”UW大学地球和空间科学博士后研究员、第一作者塞巴斯蒂安·哈斯说。

从2021年到2022年，UW团队三次访问了最后一个机会湖。他们在初冬收集观测数据，当时湖面被冰覆盖；初夏，雨水灌溉的泉水和融雪灌溉的溪流水位最高；夏末湖水几乎完全干涸时。

“你有这个看似干燥的盐滩，但也有角落和缝隙。哈斯说:“盐和沉积物之间有小块水域，其中溶解的磷酸盐含量很高。”“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摇篮。”



塞巴斯蒂安·哈斯拿着一块来自最后机会湖的盐壳，中间是绿藻，底部是黑色沉积物。致谢:大卫·凯特林/华盛顿大学

在这三次考察中，该团队收集了水、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，这种不溶性物质构成了我们的牙釉质。这可以去除水中的磷酸盐。但是在最后的机会湖中，钙与丰富的碳酸盐和镁结合形成白云石，这种矿物质形成了风景如画的山脉。先前的建模工作预测了这种反应，并在最后一次机会湖沉积物中白云石丰富时得到了证实。当钙变成白云石并且不再留在水中时，磷酸盐缺少了一个结合伴侣——因此其浓度上升。

“这项研究增加了越来越多的证据表明，蒸发苏打湖是通过在高浓度下积累关键成分来满足生命起源化学要求的环境，”Catling说。

这项研究还将最后机会湖与古德诺湖进行了比较，以了解最后机会湖的独特之处。古德诺湖约三英尺深，水更清澈，化学成分不同，步行两分钟即可到达。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，却没有耗尽最后机会湖中的磷酸盐。

古德诺湖有大量蓝细菌从空气中提取或“固定”氮气。像所有其他生命形式一样，蓝细菌也需要磷酸盐——其不断增长的数量消耗了一些湖水的磷酸盐供应。但是最后的机会湖是如此咸，以至于它抑制了生物进行固定大气氮的能量密集型工作。最后的机会湖有一些藻类，但没有足够的氮来容纳更多的生命，从而使磷酸盐积累。这也使它更适合模拟无生命的地球。

“这些新发现将有助于为生命起源研究人员提供信息，他们要么在实验室复制这些反应，要么在其他星球上寻找潜在的宜居环境，“卡特林说。