La vie telle que nous la connaissons a besoin de phosphore. C'est l'un des six principaux éléments chimiques de la vie, il forme l'épine dorsale des molécules d'ADN et d'ARN, agit comme la principale monnaie d'échange d'énergie dans toutes les cellules et ancre les lipides qui séparent les cellules de leur environnement environnant.

Mais comment un environnement sans vie sur la Terre primitive a-t-il fourni cet ingrédient clé ?

« Depuis 50 ans, ce qu'on appelle 'le problème du phosphate, ' a tourmenté les études sur l'origine de la vie, " a déclaré le premier auteur Jonathan Toner, un professeur assistant de recherche de l'Université de Washington en sciences de la Terre et de l'espace.

Le problème est que les réactions chimiques qui constituent les éléments constitutifs des êtres vivants ont besoin de beaucoup de phosphore, mais le phosphore est rare. Une nouvelle étude UW, publié le 30 décembre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , trouve une réponse à ce problème dans certains types de lacs.

L'étude se concentre sur les lacs riches en carbonates, qui se forment dans des environnements secs dans des dépressions qui canalisent l'eau s'écoulant du paysage environnant. En raison des taux d'évaporation élevés, les eaux du lac se concentrent en salé et alcalin, ou à pH élevé, solutions. De tels lacs, également connu sous le nom de lacs alcalins ou de soude, se trouvent sur les sept continents.

Les chercheurs ont d'abord examiné les mesures de phosphore dans les lacs riches en carbonates existants, dont Mono Lake en Californie, Le lac Magadi au Kenya et le lac Lonar en Inde.

Alors que la concentration exacte dépend de l'endroit où les échantillons ont été prélevés et au cours de quelle saison, les chercheurs ont découvert que les lacs riches en carbonate ont jusqu'à 50, 000 fois les niveaux de phosphore trouvés dans l'eau de mer, rivières et autres types de lacs. Des concentrations aussi élevées indiquent l'existence de certains mécanisme naturel qui accumule le phosphore dans ces lacs.

Aujourd'hui, ces lacs riches en carbonates sont biologiquement riches et soutiennent la vie allant des microbes aux célèbres troupeaux de flamants roses du lac Magadi. Ces êtres vivants affectent la chimie du lac. Les chercheurs ont donc fait des expériences en laboratoire avec des bouteilles d'eau riche en carbonate à différentes compositions chimiques pour comprendre comment les lacs accumulent le phosphore, et comment des concentrations élevées de phosphore pourraient atteindre dans un environnement sans vie.

La raison pour laquelle ces eaux ont une teneur élevée en phosphore est leur teneur en carbonates. Dans la plupart des lacs, calcium, qui est beaucoup plus abondant sur Terre, se lie au phosphore pour former des minéraux solides de phosphate de calcium, auquel la vie n'a pas accès. Mais dans les eaux riches en carbonates, le carbonate l'emporte sur le phosphate pour se lier au calcium, laissant une partie du phosphate non attaché. Des tests en laboratoire qui ont combiné des ingrédients à différentes concentrations montrent que le calcium se lie au carbonate et laisse le phosphate librement disponible dans l'eau.

"C'est une idée simple, quel est son attrait, " Toner a déclaré. "Il résout le problème du phosphate d'une manière élégante et plausible."

Les niveaux de phosphate pourraient grimper encore plus haut, à un million de fois les niveaux dans l'eau de mer, lorsque les eaux du lac s'évaporent pendant les saisons sèches, le long des rives, ou dans des piscines séparées du corps principal du lac.

"Les niveaux de phosphate extrêmement élevés dans ces lacs et étangs auraient entraîné des réactions qui mettraient du phosphore dans les éléments constitutifs moléculaires de l'ARN, protéines, et les graisses, tout cela était nécessaire pour démarrer la vie, " a déclaré le co-auteur David Catling, un professeur UW des sciences de la Terre et de l'espace.

L'air riche en dioxyde de carbone sur la Terre primitive, il y a quatre milliards d'années, aurait été idéal pour créer de tels lacs et leur permettre d'atteindre des niveaux maximum de phosphore. Les lacs riches en carbonate ont tendance à se former dans des atmosphères riches en dioxyde de carbone. Plus, le dioxyde de carbone se dissout dans l'eau pour créer des conditions acides qui libèrent efficacement le phosphore des roches.

"La Terre primitive était un endroit volcaniquement actif, vous auriez donc eu beaucoup de roches volcaniques fraîches réagissant avec le dioxyde de carbone et fournissant du carbonate et du phosphore aux lacs, " a déclaré Toner. " La Terre primitive aurait pu abriter de nombreux lacs riches en carbonates, qui aurait eu des concentrations de phosphore suffisamment élevées pour démarrer la vie."

Une autre étude récente des deux auteurs a montré que ces types de lacs peuvent également fournir du cyanure abondant pour soutenir la formation d'acides aminés et de nucléotides, les éléments constitutifs des protéines, ADN et ARN. Avant cela, les chercheurs avaient eu du mal à trouver un environnement naturel avec suffisamment de cyanure pour soutenir une origine de la vie. Le cyanure est toxique pour l'homme, mais pas aux microbes primitifs, et est essentiel pour le type de chimie qui constitue facilement les éléments constitutifs de la vie.