Kosmická historie životodárného fosforu

navzdory působivému biologickému životopisu je fosfor relativně nepřístupný, jak prvky jdou. Abychom pochopili, jak fosfor získal svou prominentní roli, vědci modelují rané geochemické prostředí na Zemi a ve vesmíru.

nejběžnějšími prvky v typické buňce jsou vodík, kyslík, uhlík, dusík, fosfor a síra. Všechny tyto, kromě fosforu, jsou v top 10 nejhojnějších prvků ve sluneční soustavě. Fosfor přichází na číslo 17.

„Fosfor je nejméně hojný prvek kosmicky vzhledem k jeho přítomnosti v biologii,“ řekl Matthew Pasek z University of South Florida.

tento nedostatek fosforu je ještě akutnější na zemském povrchu, kde je velká část fosforu uzamčena v určitých minerálech, které má život potíže s využitím.

jak se tedy život stal závislým na tomto relativně vzácném prvku?

Pasek směřuje snahu zohlednit možné chemické cesty, které by fosfor mohl podniknout, aby se stal dostupným pro život na rané zemi. Tento výzkum je podporován programem exobiologie a evoluční biologie NASA.

nelze získat dostatek

Fosfor není obvykle tolik pozornosti jako další esenciální živiny, jako je vápník a železo, ale prvek P ukazuje až překvapivě širokou škálu biologických molekul.

pro začátek je fosfor důležitým strukturálním prvkem v DNA a RNA. Obě tyto genetické molekuly mají kostru cukru a fosfátu. Fosfát (PO4) funguje jako druh „super lepidla“, protože má tři atomy kyslíku, které nesou náboje v roztoku. Tyhle dva atomy kyslíku tvoří iontové vazby s dvou sousedních cukrů, zatímco třetí kyslík je vlevo „visící“ s negativním nábojem, který je celý DNA nebo RNA molekuly záporně nabité. Tento celkový náboj pomáhá udržet molekulu od unášení z jeho zakázané umístění.

ne mnoho molekul by mohlo provést tento žonglování se třemi náboji. Arsenát je jednou z možností. Nedávno skupina vědců tvrdila, že našla mikrob, který by mohl používat arsenát místo fosfátu, ale spor zůstává nad tímto předpokládaným objevem.

“ porota je stále nad arsenátem, ale je jasné, že fosfát je nejlepší volbou, když má na výběr,“ řekl Pasek.

fosfát hraje v buňce kromě DNA další roli. Ukazuje se třikrát v adenosintrifosfátu nebo ATP, což je životně důležitá forma ukládání energie v buňkách. Mnoho biologických funkcí vyžaduje energii z rozpadu (nebo spalování) ATP, který se často nazývá „molekulární jednotka měny“ při přenosu energie.

„lidské tělo dělá svou váhu v ATP každý den a spálí ji,“ vysvětluje Pasek.

fosfor má také důležitou roli u obratlovců, jejichž kosti a zuby obsahují apatit, vysoce stabilní fosfátový minerál.

získání vitamínu P

vzhledem ke své zásadní roli musí všechny organismy na Zemi najít zdroj fosforu.

lidé a jiná zvířata dostávají svůj fosfor z konzumace rostlin (nebo tím, že jedí zvířata, která jedí rostliny). Rostliny vytahují sloučeniny fosforu z půdy, ale hodně z toho je recyklovaný materiál z rozpadající se organické hmoty.

rostliny nejsou schopny recyklovat veškerý dostupný fosfor v půdě, takže část z nich skončí v oceánu odtokem. Tam, může být použit mořskými organismy,ale nakonec se fosfát usadí na mořském dně, kde se začleňuje do skalních sedimentů.

jakmile je fosfor uzamčen v nerozpustných minerálech, trvá velmi dlouho, než se vrátí do formy, kterou mohou používat rostliny a jiné organismy. Cyklus fosforu je ve skutečnosti jedním z nejpomalejších cyklů prvků biologického významu.

Není spokojen s čekáním na geologické procesy, uvolnit fosfor, lidé v současné době tráví hodně úsilí mining „fosfát“ a chemicky modifikovat to, aby se hnojivo.

a je tu rub pro Astrobiology. První formy života by neměly nikoho, kdo by na ně posypal hnojivo bohaté na P, tak odkud vzali svůj fosfor?

jiná cesta

většina fosforu na zemském povrchu se nachází v nějakém typu fosfátu. Důvod, vysvětluje Pasek, je ten, že fosfát je nejnižší energetický stav pro P v prostředí bohatém na kyslík naší planety. Ale existují i jiné-redukovanější-sloučeniny fosforu.

„snížený fosfor je chemicky reaktivnější než fosfát,“ řekl Pasek. Tato mimořádná reaktivita mohla pomoci fosforu vplížit se do hry života před miliardami let.

příklady redukovaných sloučenin fosforu zahrnují fosfidy. Tyto molekuly jsou obvykle kombinací fosforu a kovů, jako fosfid zinečnatý nalezený v jedu na krysy nebo fosfid železa a niklu zvaný schreibersit.

Země obsahuje hodně fosfidu, ale většina z toho je v jádru, pohřben pod 2000 mil skály. Na povrchu je jedním z nejběžnějších přirozeně se vyskytujících fosfidů schreibersit, který nepochází zespodu, ale shora ve formě meteoritů.

„nemůžeme se dostat ven základní materiál, ze Země, ale máme přístup k jádru materiálu z asteroidů, které se rozpadly vytvořit meteority,“ Pasek řekl.

fosfidy mají tendenci se tvořit všude tam, kde je nedostatek kyslíku a kovy jsou hojné. Proto jádra většiny astronomických těles mají fosfidy. Fosfidy se mohou také tvořit, když je fosfátový minerál zasažen bleskem nebo vysoce energetickým dopadem.

Pasek a jeho kolegové studovali geologické vzorky fosfidy, a oni zjistili, že většina fosfidy na zemský povrch pochází z meteoritů. Postupem času se velká část tohoto materiálu vyvinula na fosfáty. Tým odhaduje, že 1 až 10 procent fosfátů, které se v současné době nacházejí na Zemi, pocházelo z meteoritů.

vrátit čas

i když fosfidy a další snížení sloučenin fosforu hrát žádnou významnou roli v současné biologie, mohou být výraznější jako život bojovala za to, aby oporu na této planetě.

S počítačové simulace, Pasek a jeho kolegové jsou modelování P-související chemie v různých časových obdobích od počátku sluneční soustavy až do raných fázích života. Zaměřují se na Zemi, ale hledají i jiná místa kromě toho, kde mohla být P chemie důležitá, jako komety a měsíc Titan.

rozšířili své simulace experimenty, ve kterých se schreibersit a další meteorické minerály přidávají do „prvotní polévky“ vody a organických molekul. Směsi vytvořily některé organo-fosforové sloučeniny, které jsou podobné těm, které se nacházejí v biologii. Vědci například vylovili trifosfáty, které patří do stejné molekulární rodiny jako ATP.

„s našimi experimenty jsme měli zatím štěstí,“ řekl Pasek.

originální recept?

prostřednictvím své práce Pasekův tým doufá, že poskytne fosforovou chemickou krajinu během prvních 2 miliard let geologické historie Země. To by mohlo pomoci odhalit, kdy a jak život na tomto prvku tak silně závisel.

„čas a způsob vstupu fosforu do života je opravdu zajímavá hádanka,“ říká Nicholas Hud z Georgia Tech.

Hud věří, že fosfor nemusí být jednou ze složek prvního receptu života.

„nukleové kyseliny, proteiny a lipidy používají fosfor, ale můžeme si představit, že to byla pozdější substituce jednodušších molekul,“ řekl Hud.

například v nukleových kyselinách mohla být role „lepidla“ fosfátu naplněna glyoxylátem, molekulou, která se dnes v životě používá. Hud si myslí, že fosfor mohl začít jako stopový prvek v několika biologických procesech, a teprve později si život uvědomil veškerý potenciál, který fosfor má pro život.

„Jakmile se život vyvinul molekulární stroje, které umožnily začlenění fosforu, a dokonce i „sklizně“ fosforu, život by se posunuli na vyšší úroveň,“ Hud řekl. „Zařazení fosfátů pravděpodobně představovalo zásadní evoluční pokrok v životě (pokud to není tam, na samém začátku), a proto je velmi důležité pro pochopení původu a rané evoluce života.“

tento příběh poskytl časopis Astrobiology, webová publikace sponzorovaná programem NASA astrobiology.