Elämänmyönteisen fosforin kosminen historia

vaikuttavasta biologisesta ansioluettelostaan huolimatta fosfori on alkuaineina suhteellisen saavuttamattomissa. Ymmärtääkseen, miten fosfori sai merkittävän roolinsa, tutkijat mallintavat varhaista geokemiallista ympäristöä maapallolla ja avaruudessa.

tyypillisen solun yleisimmät alkuaineet ovat vety, happi, hiili, typpi, fosfori ja rikki. Kaikki nämä fosforia lukuun ottamatta ovat aurinkokunnan runsaimpien alkuaineiden top 10: ssä. Fosfori on sijalla 17.

”fosfori on kosmisesti vähiten runsas alkuaine suhteessa sen esiintymiseen biologiassa”, sanoi Matthew Pasek Etelä-Floridan yliopistosta.

tämä fosforin niukkuus on vielä akuutimpi maan pinnalla, jossa suuri osa fosforista on lukkiutunut tiettyihin mineraaleihin, joita elämän on vaikea hyödyntää.

miten elämä sitten tuli riippuvaiseksi tästä suhteellisen harvinaisesta alkuaineesta?

Pasek pyrkii selvittämään mahdollisia kemiallisia reittejä, joita fosfori olisi voinut käyttää päästäkseen elämän käyttöön varhaisella maapallolla. Tutkimusta tukee Nasan Eksobiologia ja Evoluutiobiologia-ohjelma.

ei saa tarpeeksi

fosfori ei yleensä saa yhtä paljon huomiota kuin muut välttämättömät ravintoaineet kuten kalsium ja rauta, mutta alkuaine P näkyy yllättävän monenlaisissa biologisissa molekyyleissä.

alkajaisiksi fosfori on tärkeä rakenneosa DNA: ssa ja RNA: ssa. Molemmilla geneettisillä molekyyleillä on sokeri-fosfaatti-selkäranka. Fosfaatti (PO4) toimii eräänlaisena ”superliimana”, koska siinä on kolme happiatomia, jotka kuljettavat varauksia liuoksessa. Kaksi näistä happiatomeista muodostaa ionisidoksia kahden naapurisokerin kanssa, kun taas kolmas happi jää ”roikkumaan” negatiivisen varauksen kanssa, joka tekee koko DNA-eli RNA-molekyylistä negatiivisesti varautuneen. Tämä kokonaisvaraus estää molekyyliä ajautumasta pois kielletystä sijainnistaan.

monet molekyylit eivät pystyneet suorittamaan tätä kolmen varauksen jongleerausta. Arsenaatti on yksi mahdollisuus. Äskettäin ryhmä tutkijoita väitti löytäneensä mikrobin, joka voisi käyttää arsenaattia fosfaatin sijasta, mutta tästä oletetusta löydöstä kiistellään edelleen.

”tuomaristo on vielä ulkona arsenaatin suhteen, mutta on selvää, että fosfaatti on paras vaihtoehto, kun annetaan valinta”, Pasek sanoi.

fosfaatilla on solussa muitakin rooleja kuin DNA: ssa. Se näkyy kolme kertaa adenosiinitrifosfaatissa eli ATP: ssä, joka on elintärkeä energiavarasto soluissa. Monet biologiset toiminnot vaativat energiaa ATP: n hajoamisesta (tai polttamisesta), jota kutsutaan usein energian siirrossa ”valuutan molekyyliyksiköksi”.

”ihmiskeho tekee painonsa ATP: llä joka päivä ja polttaa sen”, Pasek selittää.

fosforilla on tärkeä rooli myös selkärankaisilla, joiden luissa ja hampaissa on apatiittia, joka on erittäin stabiili fosfaattimineraali.

P-vitamiinin saaminen

sen elintärkeän roolin vuoksi kaikkien eliöiden maapallolla on löydettävä fosforin lähde.

ihmiset ja muut eläimet saavat fosforinsa syömällä kasveja (tai syömällä kasveja syöviä eläimiä). Kasvit vetävät maaperästä fosforiyhdisteitä, mutta tästä suuri osa on kierrätysmateriaalia lahoavasta orgaanisesta aineksesta.

kasvit eivät pysty kierrättämään kaikkea maaperässä olevaa fosforia, joten osa siitä päätyy valumien kautta mereen. Siellä sitä voivat käyttää merieliöt, mutta lopulta fosfaatti asettuu merenpohjaan, jossa se sekoittuu kivisedimentteihin.

kun fosfori on lukkiutunut liukenemattomiin mineraaleihin, kestää hyvin kauan ennen kuin se palautuu muotoon, jota kasvit ja muut eliöt voivat käyttää. Fosforikierto onkin yksi hitaimmista biologisesti merkittävistä alkuainesykleistä.

ihmiset eivät tyydy odottamaan geologisia prosesseja fosforin vapauttamiseksi, vaan käyttävät nykyään paljon vaivaa louhiakseen ”kivifosfaattia” ja muokatakseen sitä kemiallisesti lannoitteeksi.

ja siinä on astrobiologien juju. Ensimmäisillä elämänmuodoilla ei olisi ollut ketään, joka olisi ripotellut P-pitoista lannoitetta niiden päälle, joten mistä ne saivat fosforinsa?

eri reittiä

suurin osa maan pinnalla olevasta fosforista on jonkinlaista fosfaattia. Syynä on Pasekin mukaan se, että fosfaatti on pienin energiatila P: lle planeettamme happipitoisessa ympäristössä. Mutta myös muita-pelkistyneempiä-fosforiyhdisteitä on olemassa.

”pelkistetty fosfori on kemiallisesti reaktiivisempaa kuin fosfaatti”, Pasek sanoi. Tämä ylimääräinen reaktiivisuus olisi voinut auttaa fosforia livahtamaan elämän peliin miljardeja vuosia sitten.

esimerkkejä pelkistyneistä fosforiyhdisteistä ovat fosfidit. Nämä molekyylit ovat tyypillisesti fosforin ja metallien yhdistelmiä, kuten rotanmyrkyssä oleva sinkkifosfidi tai schreiberiitti-niminen rauta-nikkelifosfidi.

maa sisältää paljon fosfidia, mutta suurin osa siitä on ytimessä, hautautuneena 2 000 kilometrin kallioperän alle. Pinnalla yksi yleisimmistä luonnossa esiintyvistä fosfideista on schreiberiitti, joka ei tule alhaalta vaan ylhäältä meteoriittien muodossa.

”emme saa maasta ydinmateriaalia, mutta meillä on pääsy asteroidien ydinmateriaaliin, joka on hajonnut muodostaen meteoriitteja”, Pasek sanoi.

Fosfideja muodostuu yleensä siellä, missä happea on niukasti ja metalleja runsaasti. Siksi useimpien tähtitieteellisten kappaleiden ytimissä on fosfideja. Fosfideja voi muodostua myös fosfaattimineraalin osuessa salamaniskuun tai suurienergiseen iskuun.

Pasek kollegoineen on tutkinut geologisia näytteitä fosfideista, ja he ovat havainneet, että suurin osa maan pinnalla olevista fosfideista on peräisin meteoriiteista. Ajan myötä suuri osa tästä aineksesta on kehittynyt fosfaateiksi. Tutkimusryhmä arvioi, että 1-10 prosenttia maapallolla nykyisin esiintyvistä fosfaateista on peräisin meteoriiteista.

kelloa taaksepäin

vaikka fosfideilla ja muilla pelkistetyillä fosforiyhdisteillä ei ole suurta osaa nykyisessä biologiassa, ne ovat saattaneet olla merkittävämpiä elämän kamppaillessa jalansijaa tällä planeetalla.

Tietokonesimulaatioilla Pasek kollegoineen mallintaa P: hen liittyvää kemiaa eri aikakausina aurinkokunnan alusta aina elämän alkuvaiheisiin saakka. Ne keskittyvät maahan, mutta katselevat myös muita paikkoja kuin missä kemia on saattanut olla tärkeää, kuten komeettoja ja Titan-kuuta.

he ovat täydentäneet simulaatioitaan kokeilla, joissa schreiberiittiä ja muita meteorimineraaleja lisätään vedestä ja orgaanisista molekyyleistä koostuvaan ”alkeiskeittoon”. Seokset ovat tuottaneet joitakin organofosforiyhdisteitä, jotka ovat samankaltaisia kuin biologiassa. Tutkijat ovat esimerkiksi kalastaneet trifosfaatteja, jotka kuuluvat samaan molekyyliperheeseen kuin ATP.

”meillä on ollut tähän mennessä hyvää onnea kokeiluissamme”, Pasek sanoi.

alkuperäinen resepti?

työnsä kautta Pasekin ryhmä toivoo pystyvänsä tarjoamaan fosforikemiallisen maiseman maapallon geologisen historian ensimmäisten 2 miljardin vuoden aikana. Tämä voisi auttaa paljastamaan, milloin ja miten elämä tuli riippuvaiseksi niin voimakkaasti tästä elementistä.

”aika ja tapa, jolla fosfori pääsee elämään, on todella kiehtova arvoitus”, sanoo Nicholas Hud Georgia Techistä.

Hud uskoo, ettei fosfori välttämättä ollut yksi aineksista elämän ensimmäisessä reseptissä.

”nukleiinihapot, proteiinit ja lipidit käyttävät kaikki fosforia, mutta voimme kuvitella, että se oli myöhemmin yksinkertaisempien molekyylien korvaaminen”, Hud sanoi.

esimerkiksi nukleiinihapoissa fosfaatin ”liimarooli” on voitu täyttää glyoksylaatilla, molekyylillä, jota käytetään vielä nykyäänkin. Hud arvelee fosforin ehkä alkaneen hivenaineena muutamissa biologisissa prosesseissa, ja vasta myöhemmin elämä tajusi kaiken mahdollisen, mitä fosforilla on elämälle.

”kun life kehitti molekyylikoneiston, joka mahdollisti fosforin lisäämisen ja jopa fosforin” keräämisen”, elämä olisi siirtynyt korkeammalle tasolle”, Hud sanoi. ”Fosfaatin sisällyttäminen oli todennäköisesti merkittävä evolutionaarinen edistysaskel elämässä (jos sitä ei ollut aivan alussa), ja siksi se on äärimmäisen tärkeää elämän alkuperän ja varhaisen evoluution ymmärtämiseksi.”

jutun toimitti Astrobiology Magazine, joka oli Nasan astrobiologian ohjelman rahoittama verkkojulkaisu.