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「蘇打湖」可提供大量磷 或為地球生命起源關鍵

2020/1/6 — 15:57

地球生命起源需要一系列不同化學原素,但六大生命主要原素之一磷 (phosphorus) 於地殼的含量只有約 0.09%,其數量如何變得足夠讓生命發展,一直都困擾著學界。去年底刊於《美國國家科學院期刊 (PNAS) 》的研究可能從乾旱地區的湖泊找到答案。

磷對生命非常重要,被用來固定脂質或脂肪,使細胞與周圍環境分開,屬於 DNA 和 RNA 分子的基本組成部份之一;亦是三磷酸腺苷 (ATP) 等分子的主要成分,為生命提供能量。

華盛頓大學地球與太空科學系研究助理教授 Jonathan Toner 在大學聲明中指,「磷酸鹽難題 (The Phosphate Problem) 」已困擾研究生命起源的學者 50 年,而為了解開「磷酸鹽難題」,團隊集中研究全球各地乾旱地區中含豐富碳酸鹽 (phosphate) 的湖泊,當中包括美國加州莫諾湖 (Mono Lake) 和塞爾斯湖 (Searles Lake) 、肯亞的馬加迪湖 (Lake Magadi) 與印度,測量當中的磷含量 。這些湖又稱為「蘇打湖 (soda lake) 」,是由周邊的水流入窪地時形成,而蒸發作用使湖水變鹹與變鹼,有很高的 pH 值。

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團隊數據顯示,雖然磷的濃度隨季節變化,但蘇打湖的磷含量比海洋、河流以及其他湖泊可高最多 50,000 倍。團隊指,這表明有自然過程容許磷在這些蘇打湖中不斷積累。然而,團隊很難在湖泊本身上進行實驗了解,因為各個蘇打湖都有不同動物影響其化學成分,例如馬加迪湖是紅鸛的棲息地,至於莫諾湖則有大量鹹水蝦,吸引 35 種候鳥視當地為中轉站。

因此,團隊以一瓶瓶含碳酸鹽的水摸擬蘇打湖情況。團隊指,由於蘇打湖的碳酸鹽含量較高,磷含量也較高,而湖中的鈣通常會與磷結合形成固體的磷酸鈣 (calcium phosphate) ,生命無法由意取得磷。不過在蘇打湖中,碳酸鹽含量高,加上其結合鈣能力遠勝磷酸鹽,所以有些磷酸鹽在水中自由出現。

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在乾旱季節,蘇打湖的磷酸鹽含量會飆升,可能比海水高 100 萬倍。另一報告作者地球與太空科學系教授 David Catling 在聲明中指,蘇打湖極高的磷酸鹽含量會推動化學反應,幫助磷進入 RNA 、蛋白質與脂肪的分子結構,而這些都是生命出現的必需品。

團隊又指大約在 40 億年前,地球早期含大量二氧化碳的大氣可能有助這些磷含量高的湖泊形成,因為蘇打湖通常都在大氣二氧化碳含量高的地方出現。另外,二氧化碳可溶於水中,使其更酸繼而侵蝕岩石釋放當中的磷。

Toner 補充早期地球火山活動非常活躍,所以有很多火山岩可與二氧化碳產生反應,並為蘇打湖提供碳酸鹽和磷,而早期地球可能擁有極多富蘇打湖,當這些湖的磷濃度夠高,生命就開始出現。

去年較早時,兩位學者發表另一份有關蘇打湖的研究,顯示蘇打湖能提供充足氰化物。雖然氰化物對人類是致命,但對原始微生物相當有用,支持其氨基酸和核苷酸的形成,兩者都是 DNA 和 RNA 的基本組成部分,對生命有關鍵作用。

來源:
Live Science, Early 'Soda Lakes' May Have Provided Missing Ingredient Key to the Origin of Life, 3 January 2020

報告:
Toner, J.D. & Catling, D.C. (2019). A carbonate-rich lake solution to the phosphate problem of the origin of life. PNAS first published 30 December 2019. doi: 10.1073/pnas.1916109117

文/Alan Chiu 、審核/Edward Ho

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