Den kosmiske historie om livgivende fosfor

på trods af dets imponerende biologiske CV er fosfor relativt utilgængelig, når elementerne går. For at forstå, hvordan fosfor opnåede sin fremtrædende rolle, modellerer forskere det tidlige geokemiske miljø på jorden og i rummet.

de mest almindelige elementer i en typisk celle er hydrogen, ilt, kulstof, nitrogen, fosfor og svovl. Alle disse, undtagen fosfor, er i top 10 af de mest rigelige elementer i solsystemet. Fosfor kommer ind på nummer 17.”fosfor er det mindst rigelige element kosmisk i forhold til dets tilstedeværelse i biologi,” sagde Matthæus Pasek fra University of South Florida.

denne mangel på fosfor er endnu mere akut på jordens overflade, hvor meget af fosforet er låst op i visse mineraler, som livet har svært ved at gøre brug af.

så hvordan kom livet til at afhænge af dette relativt sjældne element?

Pasek er på vej mod en indsats for at redegøre for de mulige kemiske veje, som fosfor kunne have taget for at blive tilgængelige for livet på den tidlige jord. Denne forskning understøttes af NASAs Eksobiologi og evolutionær biologi program.

kan ikke få nok

fosfor får normalt ikke så meget opmærksomhed som andre vigtige næringsstoffer som calcium og jern, men elementet P dukker op i en overraskende bred vifte af biologiske molekyler.

til at begynde med er fosfor et vigtigt strukturelt element i DNA og RNA. Begge disse genetiske molekyler har en sukker-fosfat-rygrad. Fosfatet (PO4) fungerer som en slags “superlim”, da det har tre iltatomer, der vil bære ladninger i opløsning. To af disse iltatomer danner ioniske bindinger med to nærliggende sukkerarter, mens det tredje ilt efterlades “Dinglende” med en negativ ladning, der gør hele DNA-eller RNA-molekylet negativt ladet. Denne samlede ladning hjælper med at forhindre molekylet i at glide ud af dets forbudte placering.

ikke mange molekyler kunne udføre denne tre-charge jonglering handling. Arsenat er en mulighed. For nylig hævdede en gruppe forskere at have fundet en mikrobe, der kunne bruge arsenat i stedet for fosfat, men der er stadig kontrovers over denne formodede opdagelse.”juryen er stadig ude over arsenat, men det er klart, at fosfat er den bedste mulighed, når man får et valg,” sagde Pasek.

fosfat spiller andre roller i cellen udover det i DNA. Det viser sig tre gange i adenosintrifosfat, eller ATP, som er en vital form for energilagring i celler. Mange biologiske funktioner kræver energi fra nedbrydning (eller brænding) af ATP, som ofte kaldes “molekylær enhed af valuta” i energioverførsel.

“den menneskelige krop gør sin vægt i ATP hver dag og brænder den,” forklarer Pasek.

fosfor har også en vigtig rolle i hvirveldyr, hvis knogler og tænder indeholder apatit, et meget stabilt fosfatmineral.

få dit vitamin P

på grund af dets vitale rolle skal alle organismer på jorden finde en kilde til fosfor.mennesker og andre dyr får deres fosfor fra at spise planter (eller ved at spise dyr, der spiser planter). Planter trækker fosforforbindelser ud af jorden, men meget af dette er genbrugsmateriale fra rådnende organisk materiale.

planter er ikke i stand til at genbruge alt det tilgængelige fosfor i jorden, så noget af det ender med at gå i havet gennem afstrømning. Der kan det bruges af marine organismer, men til sidst sætter fosfatet sig på havbunden, hvor det bliver inkorporeret i klippesedimenter.

når fosforet er låst op i uopløselige mineraler, tager det meget lang tid for det at vende tilbage til en form, som planter og andre organismer kan bruge. Faktisk er fosforcyklussen en af de langsomste elementcyklusser af biologisk betydning.

ikke tilfreds med at vente på geologiske processer for at frigøre fosfor, bruger mennesker i øjeblikket en stor indsats på minedrift “rockfosfat” og kemisk modificerer det for at gøre gødning.

og der er gnidning for astrobiologer. De første livsformer ville ikke have haft nogen til at drysse P-rig gødning på dem, så hvor fik de deres fosfor fra?

en anden vej

det meste af fosforet på jordens overflade findes i en eller anden type fosfat. Årsagen, forklarer Pasek, er, at fosfat er den laveste energitilstand for P i vores planets iltrige miljø. Men andre – mere reducerede-fosforforbindelser findes også.”reduceret fosfor er mere kemisk reaktivt end fosfat,” sagde Pasek. Denne ekstra reaktivitet kunne have hjulpet fosfor med at snige sig ind i livets spil for milliarder af år siden.

eksempler på reducerede fosforforbindelser inkluderer phosphider. Disse molekyler er typisk kombinationer af fosfor og metaller, som f.eks.

jorden indeholder meget fosfid, men det meste er i kernen, begravet under 2.000 miles af sten. På overfladen er et af de mest almindelige, naturligt forekommende fosfider schreibersite, som ikke kommer nedenfra, men ovenfra i form af meteoritter. “vi kan ikke komme ud af kernemateriale fra Jorden, men vi har adgang til kernematerialet af asteroider, der er brudt fra hinanden for at skabe meteoritter,” sagde Pasek.

Phosphider har tendens til at danne, hvor ilt er knappe, og metaller er rigelige. Derfor har kernerne i de fleste astronomiske kroppe fosfider. Fosfider kan også dannes, når et fosfatmineral rammes af lyn eller en højenergipåvirkning.Pasek og hans kolleger har studeret geologiske prøver af fosfider, og de har fundet ud af, at de fleste af fosfiderne på jordens overflade kom fra meteoritter. Over tid har meget af dette materiale udviklet sig til fosfater. Holdet vurderer, at 1 til 10 procent af de fosfater, der i øjeblikket findes på Jorden, kom fra meteoritter.selvom fosfider og andre reducerede fosforforbindelser ikke spiller nogen større rolle i den nuværende biologi, kan de have været mere fremtrædende, da livet kæmpede for at få fodfæste på denne planet.med computersimuleringer modellerer Pasek og hans kolleger P-relateret kemi på forskellige tidsperioder fra solsystemets begyndelse til de tidlige stadier af livet. De fokuserer på jorden, men de ser også på andre steder udover hvor P-kemi kan have været vigtig, som kometer og månen Titan.

de har forstærket deres simuleringer med eksperimenter, hvor schreibersite og andre meteoriske mineraler tilsættes til en “primordial suppe” af vand og organiske molekyler. Blandingerne har produceret nogle organiske fosforforbindelser, der ligner dem, der findes i biologi. For eksempel har forskerne fisket ud triphosphater, der tilhører den samme molekylære familie som ATP.

“Vi har haft held og lykke med vores eksperimenter hidtil,” sagde Pasek.

Original opskrift?

gennem deres arbejde håber Paseks team at give det fosforkemiske landskab gennem de første 2 milliarder år af Jordens geologiske historie. Dette kunne hjælpe med at afdække, hvornår og hvordan livet kom til at afhænge så stærkt af dette element.

“tiden og tilstanden for fosforindtræden i livet er et virkelig spændende puslespil,” siger Nicholas Hud fra Georgia Tech.

Hud mener, at fosfor måske ikke har været en af ingredienserne i livets første opskrift.”nukleinsyrer, proteiner og lipider bruger alle fosfor, men vi kan forestille os, at det var en senere substitution af enklere molekyler,” sagde Hud.

i nukleinsyrer, for eksempel, “lim” rolle fosfat kunne have været fyldt med glyoksylat, et molekyle stadig anvendes i livet i dag. Hud mener, at fosfor måske er startet som et sporelement i nogle få biologiske processer, og først senere indså livet alt det potentiale, som fosfor har for livet.

“Når livet udviklede det molekylære maskineri, der tillod inkorporering af fosfor, og endda “høst” af fosfor, ville livet have flyttet til et højere niveau, ” sagde Hud. “Inkluderingen af fosfat repræsenterede sandsynligvis et stort evolutionært fremskridt i livet (hvis det ikke var der helt i begyndelsen) og derfor er ekstremt vigtigt for at forstå livets oprindelse og tidlige udvikling.”

denne historie blev leveret af Astrobiology magasin, en internetbaseret publikation sponsoreret af NASA astrobiology program.