我们所知道的生命需要磷。它是构成生命的六大主要化学元素之一，形成了DNA和RNA分子的骨架，充当所有细胞中能量的主要货币，并锚定了将细胞与周围环境分隔开的脂质。
但是，早期地球上的无生命环境是如何提供这种关键成分的呢？
“50年来，所谓的‘磷酸盐问题’一直困扰着生命起源的研究，”第一作者、华盛顿大学地球与空间科学研究助理教授乔纳森·托纳说。
问题在于，制造生命基本构件的化学反应需要大量的磷，但磷是稀缺的。一项由华盛顿大学进行的新研究，于12月30日发表在《美国国家科学院院刊》上，在某些类型的湖泊中找到了这个问题的答案。
该研究聚焦于富含碳酸盐的湖泊，这些湖泊形成于干燥环境中的洼地，汇集了从周围景观排出的水。由于高蒸发率，湖水浓缩成咸性和碱性（高pH值）的溶液。这种湖泊，也被称为碱性或苏打湖，分布在所有七个大陆。
研究人员首先查看了现有富含碳酸盐湖泊中的磷测量值，包括加利福尼亚的莫诺湖、肯尼亚的马加迪湖和印度的洛纳湖。
尽管确切的浓度取决于采样地点和季节，研究人员发现富含碳酸盐的湖泊中的磷含量高达海水中、河流和其他类型湖泊中磷含量的50,000倍。如此高的浓度表明存在某种常见的自然机制，这些机制在这些湖泊中积累磷。
如今，这些富含碳酸盐的湖泊生物丰富，支持从微生物到马加迪湖著名的火烈鸟群等各种生命。这些生物影响湖泊化学。因此，研究人员在不同化学成分的富含碳酸盐的水瓶中进行了实验室实验，以了解湖泊如何积累磷，以及在无生命环境中磷的浓度能有多高。
这些水域富含磷的原因是它们的碳酸盐含量。在大多数湖泊中，钙（在地球上更为丰富）与磷结合形成固态的磷酸钙矿物，生命无法获取。但在富含碳酸盐的水中，碳酸盐与钙结合的竞争优于磷酸盐，留下一些未结合的磷酸盐。实验室测试结合了不同浓度的成分，显示钙与碳酸盐结合，使磷酸盐在水中自由可用。
“这是一个直接的想法，这也是它的吸引力所在，”托纳说。“它以优雅且合理的方式解决了磷酸盐问题。”
当湖水在旱季、湖岸线或与湖泊主体分离的池塘中蒸发时，磷酸盐水平甚至可能上升到海水中水平的百万倍。
“这些湖泊和池塘中的极高磷酸盐水平会推动反应，将磷放入RNA、蛋白质和脂肪的分子构建块中，这些都是生命启动所需要的，”合著者、华盛顿大学地球与空间科学教授大卫·卡特林说。
早期地球上富含二氧化碳的空气，大约四亿年前，非常适合创造这样的湖泊，并使它们达到磷的最大水平。富含碳酸盐的湖泊往往形成于高二氧化碳的大气中。此外，二氧化碳溶解在水中形成酸性条件，能有效从岩石中释放磷。
“早期地球是一个火山活跃的地方，所以你会看到大量的新鲜火山岩石与二氧化碳反应，向湖泊提供碳酸盐和磷，”托纳说。“早期地球可能拥有许多富含碳酸盐的湖泊，这些湖泊的磷浓度足以启动生命。”
两位作者的另一项最近研究显示，这些类型的湖泊也可以提供丰富的氰化物，以支持氨基酸和核苷酸的形成，这些是蛋白质、DNA和RNA的构建块。在此之前，研究人员一直在努力寻找一个自然环境，有足够的氰化物来支持生命的起源。氰化物对人类有毒，但对原始微生物无害，对易于制造生命的基本构件的化学反应至关重要。
该研究由西蒙斯基金会的生活起源合作项目资助。