Die kosmische Geschichte des lebensspendenden Phosphors

Trotz seines beeindruckenden biologischen Lebenslaufs ist Phosphor als Element relativ unzugänglich. Um zu verstehen, wie Phosphor seine herausragende Rolle erlangte, modellieren Wissenschaftler die frühe geochemische Umgebung auf der Erde und im Weltraum.

Die häufigsten Elemente in einer typischen Zelle sind Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel. Alle diese, außer Phosphor, gehören zu den Top 10 der am häufigsten vorkommenden Elemente im Sonnensystem. Phosphor kommt in Nummer 17.“Phosphor ist das kosmisch am wenigsten vorkommende Element im Verhältnis zu seiner Anwesenheit in der Biologie“, sagte Matthew Pasek von der University of South Florida.Diese Phosphorknappheit ist auf der Erdoberfläche noch akuter, wo ein Großteil des Phosphors in bestimmten Mineralien eingeschlossen ist, die das Leben nur schwer nutzen kann.

Wie kam es also, dass das Leben von diesem relativ seltenen Element abhing?

Pasek bemüht sich, die möglichen chemischen Wege zu untersuchen, die Phosphor genommen haben könnte, um für das Leben auf der frühen Erde verfügbar zu werden. Diese Forschung wird vom Exobiology and Evolutionary Biology Program der NASA unterstützt. Phosphor bekommt normalerweise nicht so viel Aufmerksamkeit wie andere essentielle Nährstoffe wie Kalzium und Eisen, aber das Element P zeigt sich in einer überraschend breiten Palette von biologischen Molekülen.

Für den Anfang ist Phosphor ein wichtiges Strukturelement in DNA und RNA. Beide genetischen Moleküle haben ein Zucker-Phosphat-Rückgrat. Das Phosphat (PO4) wirkt als eine Art „Sekundenkleber“, da es drei Sauerstoffatome hat, die Ladungen in Lösung tragen. Zwei dieser Sauerstoffatome bilden Ionenbindungen mit zwei benachbarten Zuckern, während der dritte Sauerstoff mit einer negativen Ladung „baumelt“, wodurch das gesamte DNA- oder RNA-Molekül negativ geladen wird. Diese Gesamtladung trägt dazu bei, dass das Molekül nicht aus seiner verbotenen Position herausdriftet.

Nicht viele Moleküle konnten diesen Drei-Ladungs-Jonglierakt ausführen. Arsenat ist eine Möglichkeit. Vor kurzem behauptete eine Gruppe von Forschern, eine Mikrobe gefunden zu haben, die Arsenat anstelle von Phosphat verwenden könnte, aber Kontroverse bleibt über diese vermutete Entdeckung.“Die Jury ist immer noch über Arsenat aus, aber es ist klar, dass Phosphat die beste Option ist, wenn man eine Wahl hat“, sagte Pasek.

Phosphat spielt in der Zelle neben der DNA eine andere Rolle. Es zeigt sich dreimal in Adenosintriphosphat oder ATP, das eine lebenswichtige Form der Energiespeicherung in Zellen ist. Viele biologische Funktionen erfordern die Energie aus dem Abbau (oder Verbrennen) von ATP, das oft als „molekulare Währungseinheit“ bei der Energieübertragung bezeichnet wird.

„Der menschliche Körper nimmt jeden Tag an ATP zu und verbrennt es“, erklärt Pasek.Phosphor spielt auch bei Wirbeltieren eine wichtige Rolle, deren Knochen und Zähne Apatit enthalten, ein hochstabiles Phosphatmineral.

Vitamin P bekommen

Aufgrund seiner lebenswichtigen Rolle müssen alle Organismen auf der Erde eine Phosphorquelle finden.

Menschen und andere Tiere erhalten ihren Phosphor durch den Verzehr von Pflanzen (oder durch den Verzehr von Tieren, die Pflanzen fressen). Pflanzen ziehen Phosphorverbindungen aus dem Boden, aber ein Großteil davon ist recyceltes Material aus zerfallenden organischen Stoffen.Pflanzen sind nicht in der Lage, den gesamten verfügbaren Phosphor im Boden zu recyceln, so dass ein Teil davon durch Abfluss in den Ozean gelangt. Dort kann es von Meeresorganismen verwendet werden, aber schließlich setzt sich das Phosphat auf dem Meeresboden ab, wo es in Gesteinssedimente eingebaut wird.

Sobald der Phosphor in unlöslichen Mineralien eingeschlossen ist, dauert es sehr lange, bis er in eine Form zurückkehrt, die Pflanzen und andere Organismen verwenden können. In der Tat ist der Phosphorzyklus einer der langsamsten Elementzyklen von biologischer Bedeutung.

Der Mensch ist nicht damit zufrieden, auf geologische Prozesse zu warten, um Phosphor freizusetzen, und verbringt derzeit viel Mühe damit, „Steinphosphat“ abzubauen und es chemisch zu modifizieren, um Dünger herzustellen.

Und da ist das Problem für Astrobiologen. Die ersten Lebensformen hätten niemanden gehabt, der P-reichen Dünger auf sie streute, also woher haben sie ihren Phosphor bekommen?

Ein anderer Weg

Der größte Teil des Phosphors auf der Erdoberfläche befindet sich in irgendeiner Art von Phosphat. Der Grund, erklärt Pasek, ist, dass Phosphat der niedrigste Energiezustand für P in der sauerstoffreichen Umgebung unseres Planeten ist. Aber es gibt auch andere – reduziertere – Phosphorverbindungen.“Reduzierter Phosphor ist chemisch reaktiver als Phosphat“, sagte Pasek. Diese zusätzliche Reaktivität hätte Phosphor helfen können, sich vor Milliarden von Jahren in das Spiel des Lebens zu schleichen.

Beispiele für reduzierte Phosphorverbindungen sind Phosphide. Diese Moleküle sind typischerweise Kombinationen von Phosphor und Metallen, wie das Zinkphosphid in Rattengift oder das Eisen-Nickel-Phosphid namens Schreibersit.Die Erde enthält viel Phosphid, aber das meiste davon befindet sich im Kern, begraben unter 2.000 Meilen Gestein. An der Oberfläche ist eines der häufigsten, natürlich vorkommenden Phosphide Schreibersit, das nicht von unten, sondern in Form von Meteoriten von oben kommt. „Wir können kein Kernmaterial von der Erde holen, aber wir haben Zugang zum Kernmaterial von Asteroiden, die auseinandergebrochen sind, um Meteoriten zu erzeugen“, sagte Pasek.

Phosphide bilden sich überall dort, wo Sauerstoff knapp und Metalle reichlich vorhanden sind. Daher haben die Kerne der meisten astronomischen Körper Phosphide. Phosphide können sich auch bilden, wenn ein Phosphatmineral von Blitzen oder einem energiereichen Aufprall getroffen wird.

Pasek und seine Kollegen haben geologische Proben von Phosphiden untersucht und festgestellt, dass die meisten Phosphide auf der Erdoberfläche von Meteoriten stammen. Im Laufe der Zeit hat sich ein Großteil dieses Materials zu Phosphaten entwickelt. Das Team schätzt, dass 1 bis 10 Prozent der derzeit auf der Erde gefundenen Phosphate von Meteoriten stammen.

Die Uhr zurückdrehen

Obwohl Phosphide und andere reduzierte Phosphorverbindungen in der aktuellen Biologie keine große Rolle spielen, waren sie möglicherweise prominenter, als das Leben darum kämpfte, auf diesem Planeten Fuß zu fassen.

Mit Computersimulationen modellieren Pasek und seine Kollegen die P-bezogene Chemie zu verschiedenen Zeiträumen vom Beginn des Sonnensystems bis zu den frühen Stadien des Lebens. Sie konzentrieren sich auf die Erde, aber sie betrachten auch andere Orte, an denen Pms wichtig gewesen sein könnte, wie Kometen und der Mond Titan.

Sie haben ihre Simulationen mit Experimenten ergänzt, in denen Schreibersit und andere meteorische Mineralien zu einer „Ursuppe“ aus Wasser und organischen Molekülen hinzugefügt werden. Die Mischungen haben einige Organo-Phosphor-Verbindungen erzeugt, die denen in der Biologie ähnlich sind. Zum Beispiel haben die Forscher Triphosphate herausgefischt, die zur selben Molekülfamilie wie ATP gehören.“Wir hatten bisher viel Glück mit unseren Experimenten“, sagte Pasek.

Original Rezept?

Durch ihre Arbeit hofft das Team von Pasek, die phosphorchemische Landschaft durch die ersten 2 Milliarden Jahre der geologischen Geschichte der Erde zu liefern. Dies könnte helfen aufzudecken, wann und wie das Leben so stark von diesem Element abhing.

„Die Zeit und Art des Phosphoreintritts ins Leben ist ein wirklich faszinierendes Rätsel“, sagt Nicholas Hud von Georgia Tech.

Hud glaubt, dass Phosphor möglicherweise nicht eine der Zutaten im ersten Rezept des Lebens war.“Nukleinsäuren, Proteine und Lipide verwenden alle Phosphor, aber wir können uns vorstellen, dass es eine spätere Substitution einfacherer Moleküle war“, sagte Hud.

In Nukleinsäuren zum Beispiel könnte die „Leim“ -Rolle von Phosphat durch Glyoxylat ausgefüllt worden sein, ein Molekül, das heute noch im Leben verwendet wird. Hud glaubt, dass Phosphor als Spurenelement in einigen biologischen Prozessen begonnen haben könnte, und erst später erkannte das Leben das gesamte Potenzial, das Phosphor für das Leben hat.“Sobald das Leben die molekulare Maschinerie entwickelt hatte, die den Einbau von Phosphor und sogar die „Ernte“ von Phosphor ermöglichte, hätte sich das Leben auf ein höheres Niveau bewegt“, sagte Hud. „Die Aufnahme von Phosphat stellte wahrscheinlich einen großen evolutionären Fortschritt im Leben dar (wenn es nicht am Anfang war) und ist daher äußerst wichtig für das Verständnis des Ursprungs und der frühen Evolution des Lebens.“

Diese Geschichte wurde vom Astrobiology Magazine zur Verfügung gestellt, einer webbasierten Publikation, die vom NASA Astrobiology Program gesponsert wird.