DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-023-01192-8
تاريخ النشر: 2024-01-09
المؤلف: Sebastian Haas وآخرون
الموضوع الرئيسي: أصول وتطور الحياة
نظرة عامة
تستكشف هذه القسم الآليات وراء التركيزات العالية غير العادية للفوسفات المذاب في بحيرات “الصودا” الغنية بالكربونات، وتحديداً بحيرة آخر فرصة وبحيرة غودنوف في كندا، والتي تعتبر حاسمة لفهم الفوسفات الحيوي للنيوكليوزيدات. تكشف الدراسة أن ترسيب الفوسفور الجيولوجي غائب، حيث يتم العثور على الكالسيوم الرسوبي بشكل أساسي في الدولوميت بدلاً من الأباتيت. بالإضافة إلى ذلك، فإن معدلات تثبيت النيتروجين منخفضة، على الأرجح بسبب الملوحة العالية، مما يؤدي إلى عدم وجود طلب بيولوجي كافٍ على الفوسفات.
تشير النتائج إلى أن الجمع بين نقص النيتروجين في الإنتاج البيولوجي وترسيب الكربونات الغنية بالكالسيوم بدلاً من الأباتيت يسهل تراكم الفوسفات في هذه البحيرات. تظهر بحيرة آخر فرصة، على وجه الخصوص، أعلى مستويات الفوسفات الطبيعية المعروفة عند 37 مللي مول، والتي تُعزى إلى الحد الأدنى من المصارف البيولوجية والجيولوجية للفوسفور. يقترح المؤلفون أن مثل هذه البحيرات المتبخرة، التي تشكلت على صخور البازلت مشابهة للظروف على الأرض المبكرة، قد تكون قد وفرت التركيزات اللازمة من الفوسفات للتخليق الحيوي، مما يدعم النظريات المتعلقة بأصل الحياة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم جمع عينات من مياه البحيرة والرواسب والملح المتبخر بشكل منهجي من بحيرتي آخر فرصة وغودنوف خلال ثلاث حملات ميدانية في أواخر عام 2021 ومنتصف عام 2022. تم جمع الملح المتبخر باستخدام قفازات من الفينيل وتم تخزينه تحت ظروف تجميد، بينما تم أخذ عينات المياه والرواسب من محطات جغرافية ثابتة لتقليل التلوث. خضعت عينات المياه للتصفية باستخدام مرشحات حقن بحجم 0.2 ميكرون للتحليلات الجيولوجية، وتم استخراج أنابيب الرواسب باستخدام أنابيب PVC، مع أخذ عينات من المياه المسامية من خلال الريزونات أو الطرد المركزي. تم الحفاظ على جميع العينات عند -20 درجة مئوية حتى التحليل.
تم قياس المعلمات الجيولوجية المذابة مثل الأكسجين المذاب، ودرجة الحموضة، والعتامة باستخدام حساسات ProDSS، بينما تم حساب الملوحة الكلية من الفروق في وزن المياه المصفاة. تم تحليل التركيزات الأيونية والعنصرية في العينات عبر كروماتوغرافيا الأيونات وICP-MS، مع حدود الكشف التي تختلف حسب العنصر. تم تحديد تركيزات العناصر الغذائية، بما في ذلك الأمونيوم، والنيتريت، والنيترات، باستخدام طرق قياسية وآلات تحليل العناصر الغذائية. تم تقييم تركيزات الجسيمات من خلال التصفية الفراغية، مع قياس الكلوروفيل أ بعد الاستخراج. تم إجراء تحليل النظائر المستقرة للنيتروجين العضوي الجسيمي باستخدام التحليل العنصري/مطيافية الكتلة، مع استخدام ترميز δ للتعبير عن نسب النظائر المستقرة. تم معالجة عينات الرواسب لاستخراج الفوسفور الكلي وتحليل حيود الأشعة السينية، مما يضمن توصيفاً شاملاً للخصائص البيوجيولوجية لنظام البحيرة البيئي.
النتائج
تكشف نتائج الدراسة حول بحيرة آخر فرصة (LCL) وبحيرة غودنوف (GL) عن اختلافات كبيرة في خصائصها الفيزيائية والبيولوجية والجيولوجية. تقع كلا البحيرتين، اللتين تقعان على رواسب جليدية فوق البازلت الفيضاني، في أنظمة مغلقة تستقبل المياه بشكل أساسي من الأمطار والمياه الجوفية. أظهرت العينات التي تم جمعها عبر ثلاثة مواسم أن LCL شهدت تقلبات ملوحة شديدة، حيث وصلت إلى 462 غرام/لتر، بينما حافظت GL على بيئة أكثر استقراراً بعمق أقصى يبلغ حوالي 110 سم. ومن الجدير بالذكر أن عمود الماء غير الشفاف في LCL كان يُعزى إلى اضطراب الرواسب بدلاً من ارتفاع الكتلة الحيوية للفيتوبلانكتون، مما يتناقض مع السجاد الميكروبي الكثيف في GL الذي تهيمن عليه السيانوبكتيريا الضوئية.
جيولوجياً، أظهرت LCL تركيزات أعلى من الصوديوم والكلوريد والفوسفات مقارنةً بـ GL، حيث بلغت مستويات الفوسفات ذروتها عند 37 مللي مول في المحاليل المركزة. وجدت الدراسة أن تركيزات الفوسفات في LCL لم تكن مجرد نتيجة لارتفاع الملوحة، بل تشير إلى نقص في الامتصاص البيولوجي، كما يتضح من انخفاض معدلات تثبيت النيتروجين (BNF) في LCL بسبب نقص النيتروجين. في المقابل، أظهرت GL نسب نيتروجين وفوسفور متوازنة، مدعومة بتثبيت النيتروجين النشط في سجادها الميكروبي. تشير النتائج إلى أن الملوحة العالية في LCL تعيق نشاط النيتروجيناز، مما يؤدي إلى تراكم فوسفات شديد، مما له آثار على فهم البيئات الحيوية السابقة على الأرض المبكرة، حيث قد تكون الظروف المماثلة قد سهلت أصل الحياة.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على أهمية البحيرات المتبخرة، وخاصة بحيرات الصودا، كبيئات محتملة لأصل الحياة على الأرض خلال عصر هادين (4.6-4.0 مليار سنة مضت). يمكن أن تركز هذه البحيرات العناصر البيوجينية الأساسية مثل الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت، والتي تعتبر حاسمة للتخليق الحيوي للنيوكليوتيدات والأحماض الأمينية وغيرها من المركبات العضوية. قد تخفف الظروف الجيولوجية الفريدة في بحيرات الصودا، التي تتميز بتركيزات عالية من الفوسفات ومستويات منخفضة من الكالسيوم، من “مشكلة الفوسفات” المرتبطة بانخفاض توفر الفوسفات في البيئة، مما يسهل الفوسفات الحيوي للنيوكليوزيدات – وهي خطوة حاسمة في تشكيل RNA.
تناقش الورقة أيضًا ديناميات دورة العناصر الغذائية في بحيرات الصودا، مع التأكيد على دور تثبيت النيتروجين البيولوجي (BNF) والقيود الغذائية المتنوعة التي تؤثر على الإنتاجية الأولية. تشير إلى أنه بينما يمكن أن يكون النيتروجين متاحًا حيويًا من خلال الميكروبات الديازوتروفية، غالبًا ما يظل الفوسفور هو العنصر المحدد بسبب دوراته المعقدة وآليات فقدانه. تقدم الدراسة بيانات ميدانية جديدة من بحيرة آخر فرصة، التي تظهر أعلى تركيزات فوسفات طبيعية مسجلة، وتقارنها مع بحيرة غودنوف القريبة لاستكشاف العوامل التي تؤثر على تراكم الفوسفات. تشير النتائج إلى أن الطلب البيولوجي والتفاعلات الجيولوجية تؤثر بشكل كبير على تركيزات العناصر الغذائية، مع آثار على فهم كل من النظم البيئية الحديثة والظروف الحيوية السابقة التي تسهل ظهور الحياة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-023-01192-8
Publication Date: 2024-01-09
Author(s): Sebastian Haas et al.
Primary Topic: Origins and Evolution of Life
Overview
This section investigates the mechanisms behind the unusually high concentrations of dissolved phosphate in carbonate-rich “soda” lakes, specifically Last Chance Lake and Goodenough Lake in Canada, which are critical for understanding prebiotic phosphorylation of nucleosides. The study reveals that geochemical phosphorus precipitation is absent, with sedimentary calcium predominantly found in dolomite rather than apatite. Additionally, nitrogen fixation rates are low, likely due to high salinity, resulting in insufficient biological demand for phosphate.
The findings suggest that the combination of nitrogen limitation on biological production and the precipitation of calcium-rich carbonate rather than apatite facilitates the accumulation of phosphate in these lakes. Last Chance Lake, in particular, exhibits the highest known natural phosphate levels at 37 mM, attributed to minimal biological and geochemical phosphorus sinks. The authors propose that such evaporative soda lakes, formed on basaltic rock similar to conditions on early Earth, could have provided the necessary phosphate concentrations for prebiotic synthesis, supporting theories regarding the origin of life.
Methods
In this study, lake water, sediment, and evaporite samples were systematically collected from Last Chance and Goodenough lakes during three field campaigns in late 2021 and mid-2022. Evaporites were gathered using vinyl gloves and stored under freezing conditions, while water and sediment samples were taken from fixed geographic stations to minimize contamination. Water samples underwent filtration with 0.2-µm syringe filters for geochemical analyses, and sediment cores were extracted using PVC pipes, with porewater being sampled through rhizons or centrifugation. All samples were preserved at -20 °C until analysis.
Dissolved geochemical parameters such as dissolved oxygen, pH, and turbidity were measured using ProDSS sensors, while total salinity was calculated from weight differences of filtered water. Ionic and elemental concentrations in the samples were analyzed via ion chromatography and ICP-MS, with detection limits varying by element. Nutrient concentrations, including ammonium, nitrite, and nitrate, were quantified using standard methods and nutrient autoanalyzers. Particulate concentrations were assessed through vacuum filtration, with chlorophyll a measured post-extraction. Stable isotope analysis for particulate organic nitrogen was conducted using elemental-analysis/mass-spectrometry, with δ notation employed for expressing stable isotope ratios. Sediment samples were processed for total phosphorus extraction and X-ray diffraction analysis, ensuring comprehensive characterization of the biogeochemical properties of the lake ecosystem.
Results
The results of the study on Last Chance Lake (LCL) and Goodenough Lake (GL) reveal significant differences in their physical, biological, and geochemical characteristics. Both lakes, situated on glacial till over flood basalts, are closed-basin systems primarily receiving water from precipitation and groundwater. Sampling conducted across three seasons indicated that LCL experienced extreme salinity fluctuations, reaching up to 462 g/L, while GL maintained a more stable environment with maximum depths of ~110 cm. Notably, LCL’s opaque water column was attributed to sediment disturbance rather than high phytoplankton biomass, contrasting with GL’s thick microbial mats dominated by photo-diazotrophic cyanobacteria.
Geochemically, LCL exhibited higher concentrations of sodium, chloride, and phosphate compared to GL, with phosphate levels peaking at 37 mM in concentrated brines. The study found that phosphate concentrations in LCL were not merely a result of higher salinity but indicated a lack of biological uptake, as evidenced by low nitrogen fixation rates (BNF) in LCL due to nitrogen limitation. In contrast, GL demonstrated balanced nitrogen and phosphorus ratios, supported by active BNF in its microbial mats. The findings suggest that high salinity in LCL inhibits nitrogenase activity, leading to extreme phosphate accumulation, which has implications for understanding prebiotic environments on early Earth, where similar conditions may have facilitated the origin of life.
Discussion
The discussion highlights the significance of evaporative lakes, particularly soda lakes, as potential environments for the origin of life on Earth during the Hadean era (4.6-4.0 Ga BP). These lakes can concentrate essential biogenic elements such as carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, phosphorus, and sulfur, which are critical for prebiotic synthesis of nucleotides, amino acids, and other organic compounds. The unique geochemical conditions in soda lakes, characterized by high concentrations of phosphate and low calcium levels, may alleviate the “phosphate problem” associated with low environmental phosphate availability, thus facilitating nucleoside phosphorylation—a crucial step in RNA formation.
The paper also discusses the dynamics of nutrient cycling in soda lakes, emphasizing the role of biological nitrogen fixation (BNF) and the varying nutrient limitations affecting primary productivity. It notes that while nitrogen can be bioavailable through diazotrophic microbes, phosphorus often remains the limiting nutrient due to its complex cycling and loss mechanisms. The study presents new field data from Last Chance Lake, which exhibits the highest natural phosphate concentrations recorded, and compares it to nearby Goodenough Lake to explore the factors influencing phosphate accumulation. The findings suggest that biological demand and geochemical interactions significantly affect nutrient concentrations, with implications for understanding both modern ecosystems and prebiotic conditions conducive to the emergence of life.