La Historia Cósmica del Fósforo Vivificante

A pesar de su impresionante currículum biológico, el fósforo es relativamente inaccesible a medida que avanzan los elementos. Para entender cómo el fósforo obtuvo su papel prominente, los científicos están modelando el entorno geoquímico temprano en la Tierra y en el espacio.

Los elementos más comunes en una célula típica son hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, fósforo y azufre. Todos ellos, excepto el fósforo, se encuentran entre los 10 elementos más abundantes del sistema solar. El fósforo entra en el número 17.

«El fósforo es el elemento menos abundante cósmicamente en relación con su presencia en biología», dijo Matthew Pasek de la Universidad del Sur de Florida.

Esta escasez de fósforo es aún más aguda en la superficie de la Tierra, donde gran parte del fósforo está encerrado en ciertos minerales que la vida tiene dificultades para usar.

Entonces, ¿cómo llegó la vida a depender de este elemento relativamente raro?

Pasek está dirigiendo un esfuerzo para tener en cuenta las posibles vías químicas que el fósforo podría haber tomado para estar disponible para la vida en la Tierra primitiva. Esta investigación es apoyada por el programa de Exobiología y Biología Evolutiva de la NASA.

No puede obtener suficiente

El fósforo no suele recibir tanta atención como otros nutrientes esenciales como el calcio y el hierro, pero el elemento P aparece en una gama sorprendentemente amplia de moléculas biológicas.

Para empezar, el fósforo es un elemento estructural importante en el ADN y el ARN. Ambas moléculas genéticas tienen una columna vertebral de azúcar y fosfato. El fosfato (PO4) funciona como una especie de «súper pegamento», ya que tiene tres átomos de oxígeno que transportarán cargas en solución. Dos de estos átomos de oxígeno forman enlaces iónicos con dos azúcares vecinos, mientras que el tercer oxígeno se deja «colgando» con una carga negativa que hace que toda la molécula de ADN o ARN se cargue negativamente. Esta carga total ayuda a evitar que la molécula se salga de su ubicación prohibida.

No muchas moléculas podrían realizar este malabarismo de tres cargas. El arseniato es una posibilidad. Recientemente, un grupo de investigadores afirmó haber encontrado un microbio que podría usar arseniato en lugar de fosfato, pero sigue habiendo controversia sobre este presunto descubrimiento.

«El jurado todavía está fuera de discusión sobre el arseniato, pero está claro que el fosfato es la mejor opción cuando se le da una opción», dijo Pasek.

El fosfato desempeña otras funciones en la célula además de la del ADN. Aparece tres veces en el trifosfato de adenosina, o ATP, que es una forma vital de almacenamiento de energía en las células. Muchas funciones biológicas requieren la energía de la descomposición (o quema) del ATP, que a menudo se llama la «unidad molecular de moneda» en la transferencia de energía.

«El cuerpo humano hace su peso en ATP cada día y lo quema», explica Pasek.

El fósforo también tiene un papel importante en los vertebrados, cuyos huesos y dientes contienen apatita, un mineral fosfato altamente estable.

Obtener su vitamina P

Debido a su papel vital, todos los organismos en la Tierra deben encontrar una fuente de fósforo.

Los seres humanos y otros animales obtienen su fósforo al comer plantas (o al comer animales que comen plantas). Las plantas extraen compuestos de fósforo del suelo, pero gran parte de esto es material reciclado de materia orgánica en descomposición.

Las plantas no son capaces de reciclar todo el fósforo disponible en el suelo, por lo que parte de él termina yendo al océano a través de la escorrentía. Allí, puede ser utilizado por organismos marinos, pero eventualmente el fosfato se deposita en el fondo marino donde se incorpora a los sedimentos de roca.

Una vez que el fósforo está encerrado en minerales insolubles, tarda mucho tiempo en volver a una forma que las plantas y otros organismos pueden usar. De hecho, el ciclo del fósforo es uno de los ciclos de elementos más lentos de importancia biológica.

No satisfechos con esperar a que los procesos geológicos liberen fósforo, los humanos actualmente gastan mucho esfuerzo en extraer «fosfato natural» y modificarlo químicamente para fabricar fertilizantes.

Y ahí está el problema para los astrobiólogos. Las primeras formas de vida no habrían tenido a nadie que les rociara fertilizante rico en P, así que, ¿de dónde sacaron su fósforo?

Un camino diferente

La mayor parte del fósforo en la superficie de la Tierra se encuentra en algún tipo de fosfato. La razón, explica Pasek, es que el fosfato es el estado de energía más bajo para P en el entorno rico en oxígeno de nuestro planeta. Pero también existen otros compuestos de fósforo, más reducidos.

«El fósforo reducido es más reactivo químicamente que el fosfato», dijo Pasek. Esta reactividad adicional podría haber ayudado al fósforo a introducirse a hurtadillas en el juego de la vida hace miles de millones de años.

Ejemplos de compuestos de fósforo reducidos incluyen los fosfuros. Estas moléculas son típicamente combinaciones de fósforo y metales, como el fosfuro de zinc que se encuentra en el veneno para ratas o el fosfuro de hierro y níquel llamado schreibersite.

La Tierra contiene una gran cantidad de fosfuro, pero la mayor parte está en el núcleo, enterrado bajo 2.000 millas de roca. En la superficie, uno de los fosfuros naturales más comunes es el schreibersite, que no viene de abajo, sino de arriba en forma de meteoritos.

«No podemos sacar material de núcleo de la Tierra, pero sí tenemos acceso al material de núcleo de asteroides que se han roto para crear meteoritos», dijo Pasek.

Los fosfuros tienden a formarse donde el oxígeno es escaso y los metales son abundantes. Por lo tanto, los núcleos de la mayoría de los cuerpos astronómicos tienen fosfuros. Los fosfuros también se pueden formar cuando un mineral de fosfato es alcanzado por un rayo o un impacto de alta energía.

Pasek y sus colegas han estudiado muestras geológicas de fosfuros, y han encontrado que la mayoría de los fosfuros en la superficie de la Tierra provenían de meteoritos. Con el tiempo, gran parte de este material ha evolucionado a fosfatos. El equipo estima que del 1 al 10 por ciento de los fosfatos que se encuentran actualmente en la Tierra provienen de meteoritos.

Retroceder el reloj

Aunque los fosfuros y otros compuestos de fósforo reducido no desempeñan un papel importante en la biología actual, pueden haber sido más prominentes a medida que la vida luchaba por hacerse un hueco en este planeta.

Con simulaciones por computadora, Pasek y sus colegas están modelando la química relacionada con P en diferentes períodos de tiempo, desde el comienzo del sistema solar hasta las primeras etapas de la vida. Se centran en la Tierra, pero también están mirando otros lugares además de donde la química P puede haber sido importante, como los cometas y la luna Titán.

Han aumentado sus simulaciones con experimentos, en los que schreibersite y otros minerales meteóricos se agregan a una «sopa primordial» de agua y moléculas orgánicas. Las mezclas han producido algunos compuestos organofosforados que son similares a los encontrados en biología. Por ejemplo, los investigadores han pescado trifosfatos que pertenecen a la misma familia molecular que el ATP.

«Hemos tenido buena suerte con nuestros experimentos hasta ahora», dijo Pasek.

receta Original?

A través de su trabajo, el equipo de Pasek espera proporcionar el panorama químico del fósforo a través de los primeros 2 mil millones de años de la historia geológica de la Tierra. Esto podría ayudar a descubrir cuándo y cómo la vida llegó a depender tan fuertemente de este elemento.

«El momento y el modo de entrada del fósforo en la vida es un rompecabezas realmente intrigante», dice Nicholas Hud de Georgia Tech.

Hud cree que el fósforo puede no haber sido uno de los ingredientes de la primera receta de la vida.

«Los ácidos nucleicos, las proteínas y los lípidos utilizan fósforo, pero podemos imaginar que fue una sustitución posterior de moléculas más simples», dijo Hud.

En los ácidos nucleicos, por ejemplo, el papel de» pegamento » del fosfato podría haber sido llenado por glioxilato, una molécula que todavía se usa en la vida actual. Hud piensa que el fósforo podría haber comenzado como un oligoelemento en unos pocos procesos biológicos, y solo más tarde la vida se dio cuenta de todo el potencial que el fósforo tiene para la vida.

«Una vez que life desarrolló la maquinaria molecular que permitió la incorporación de fósforo, e incluso la ‘cosecha’ de fósforo, la vida se habría movido a un nivel superior», dijo Hud. «La inclusión del fosfato probablemente representó un avance evolutivo importante en la vida (si no estaba allí al principio) y, por lo tanto, es extremadamente importante para comprender el origen y la evolución temprana de la vida.

Esta historia fue proporcionada por la revista Astrobiology, una publicación basada en la web patrocinada por el programa de astrobiología de la NASA.