Az életet adó foszfor kozmikus története

lenyűgöző biológiai folytatása ellenére a foszfor viszonylag elérhetetlen, ahogy az elemek mennek. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan szerezte meg a foszfor kiemelkedő szerepét, a tudósok modellezik a korai geokémiai környezetet a földön és az űrben.

egy tipikus sejt leggyakoribb elemei a hidrogén, az oxigén, a szén, a nitrogén, a foszfor és a kén. Mindezek, a foszfor kivételével, a naprendszer leggyakoribb elemeinek top 10-ben vannak. A foszfor a 17-es szám alatt érkezik.

“a foszfor kozmikailag a legkevésbé bőséges elem a biológiában való jelenlétéhez képest” – mondta Matthew Pasek, a Dél-Floridai Egyetem.

Ez a foszforhiány még élesebb a Föld felszínén, ahol a foszfor nagy része bizonyos ásványi anyagokban van elzárva, amelyeket az élet nehezen tud felhasználni.

hogyan függött az élet ettől a viszonylag ritka elemtől?

Pasek arra törekszik, hogy figyelembe vegye azokat a lehetséges kémiai útvonalakat, amelyeket a foszfor igénybe vehetett, hogy elérhetővé váljon az élet a korai Földön. Ezt a kutatást a NASA Exobiology and Evolutionary Biology programja támogatja.

nem kap elég

a foszfor általában nem kap annyi figyelmet, mint más alapvető tápanyagok, mint a kalcium és a vas, de a P elem meglepően széles biológiai molekulákban jelenik meg.

először is, a foszfor fontos szerkezeti elem a DNS-ben és az RNS-ben. Mindkét genetikai molekula cukor-foszfát gerincvel rendelkezik. A foszfát (PO4) egyfajta “szuper ragasztóként” működik, mivel három oxigénatomja van, amelyek töltéseket hordoznak oldatban. Ezen oxigénatomok közül kettő ionos kötést képez két szomszédos cukorral, míg a harmadik oxigén negatív töltéssel “lóg”, ami az egész DNS-t vagy RNS-molekulát negatív töltésűvé teszi. Ez az Általános töltés segít abban, hogy a molekula ne sodródjon ki tiltott helyéről.

nem sok molekula képes végrehajtani ezt a három töltésű zsonglőrködést. Az Arsenate az egyik lehetőség. A közelmúltban egy kutatócsoport azt állította, hogy talált egy mikrobát, amely arzenátot használhat a foszfát helyett, de a feltételezett felfedezés továbbra is vita tárgyát képezi.

“a zsűri még mindig az arzenát felett van, de egyértelmű, hogy a foszfát a legjobb megoldás, ha választást kapnak” – mondta Pasek.

a foszfát a DNS-en kívül más szerepet is játszik a sejtben. Háromszor jelenik meg az adenozin-trifoszfátban vagy az ATP-ben, amely a sejtek energiatárolásának létfontosságú formája. Számos biológiai funkció megköveteli az ATP lebontásából (vagy elégetéséből) származó energiát, amelyet gyakran az energiaátvitel “molekuláris valutaegységének” neveznek.

“az emberi test teszi a súlyát ATP minden nap, és éget,” Pasek magyarázza.

a foszfor fontos szerepet játszik a gerinces állatokban is, amelyek csontjai és fogai apatitot tartalmaznak, egy nagyon stabil foszfát ásványi anyagot.

A P-vitamin beszerzése

létfontosságú szerepe miatt a Földön minden organizmusnak meg kell találnia a foszfor forrását.

az emberek és más állatok foszfort kapnak a növények fogyasztásából (vagy a növényeket fogyasztó állatok fogyasztásával). A növények foszforvegyületeket húznak ki a talajból, de ennek nagy része újrahasznosított anyag a bomló szerves anyagokból.

a növények nem képesek újrahasznosítani az összes rendelkezésre álló foszfort a talajban, ezért néhányuk lefolyás útján az óceánba kerül. Ott a tengeri élőlények használhatják, de végül a foszfát a tengerfenékre települ, ahol beépül a kőzetüledékekbe.

miután a foszfor oldhatatlan ásványi anyagokba van zárva, nagyon hosszú időbe telik, amíg visszatér egy olyan formába, amelyet a növények és más szervezetek használhatnak. Valójában a foszfor-ciklus az egyik leglassabb biológiai jelentőségű elemciklus.

nem elégedett azzal, hogy megvárja a geológiai folyamatokat a foszfor felszabadítására, az emberek jelenleg sok erőfeszítést költenek a “kőzetfoszfát” bányászatára és kémiai módosítására, hogy műtrágyát készítsenek.

és ott van a bökkenő asztrobiológusok. Az első életformáknak nem lett volna senkijük, aki P-gazdag műtrágyát szórna rájuk, szóval honnan szerezték a foszfort?

egy másik út

a Föld felszínén található foszfor nagy része valamilyen típusú foszfátban található. Ennek oka-magyarázza Pasek-az, hogy a foszfát a legalacsonyabb energiaállapot a P számára bolygónk oxigénben gazdag környezetében. De más-csökkentett-foszforvegyületek is léteznek.

“a csökkentett foszfor kémiailag reaktív, mint a foszfát” – mondta Pasek. Ez az extra reaktivitás segíthette volna a foszfort, hogy milliárd évvel ezelőtt besurranjon az élet játékába.

a redukált foszforvegyületek példái közé tartoznak a foszfidok. Ezek a molekulák jellemzően foszfor és fémek kombinációi, mint például a patkányméregben található cink-foszfid vagy a schreibersite nevű vas-nikkel-foszfid.

a föld sok foszfidot tartalmaz, de a legtöbb a magban van, 2000 mérföldnyi kőzet alatt. A felszínen az egyik leggyakoribb, természetben előforduló foszfid a schreibersite, amely nem alulról, hanem felülről származik meteoritok formájában.

“nem tudjuk kiszedni a Föld maganyagát, de hozzáférhetünk az aszteroidák maganyagához, amelyek széttörtek, hogy meteoritokat hozzanak létre” – mondta Pasek.

a Foszfidok általában ott képződnek, ahol az oxigén szűkös és a fémek bőségesek. Ezért a legtöbb csillagászati test magjai foszfidokkal rendelkeznek. Foszfidok akkor is kialakulhatnak, ha egy foszfát ásványi anyagot villámcsapás vagy nagy energiájú hatás üt meg.

Pasek és kollégái tanulmányozták a foszfidok geológiai mintáit, és azt találták, hogy a Föld felszínén található foszfidok többsége meteoritokból származik. Az idő múlásával ennek az anyagnak a nagy része foszfátokká fejlődött. A csapat becslése szerint a Földön jelenleg található foszfátok 1-10 százaléka meteoritokból származik.

Az óra visszafordítása

bár a foszfidok és más redukált foszforvegyületek nem játszanak jelentős szerepet a jelenlegi biológiában, talán még hangsúlyosabbak voltak, mivel az élet küzdött, hogy megvethesse a lábát ezen a bolygón.

számítógépes szimulációkkal Pasek és kollégái különböző időszakokban modellezik a P-vel kapcsolatos kémiát a naprendszer kezdetétől az élet korai szakaszáig. A földre összpontosítanak, de más helyeket is vizsgálnak azon kívül, ahol a P kémia fontos lehetett, mint az üstökösök és a Hold titán.

kísérletekkel bővítették szimulációikat, amelyek során schreibersitet és más meteorikus ásványokat adnak a víz és a szerves molekulák “ősleveséhez”. A keverékek olyan szerves foszforvegyületeket hoztak létre, amelyek hasonlóak a biológiában találhatókhoz. Például a kutatók olyan trifoszfátokat halásztak ki, amelyek ugyanabba a molekuláris családba tartoznak, mint az ATP.

“eddig sok szerencsénk volt a kísérleteinkkel” – mondta Pasek.

eredeti recept?

munkájuk révén Pasek csapata reméli, hogy biztosítja a foszfor kémiai tájat a Föld geológiai történetének első 2 milliárd évében. Ez segíthet feltárni, hogy az élet mikor és hogyan függött ilyen erősen ettől az elemtől.

“a foszfor életbe lépésének ideje és módja egy igazán érdekes rejtvény” – mondja Nicholas Hud A Georgia Tech-től.

Hud úgy véli, hogy a foszfor nem volt az élet első receptjének egyik összetevője.

“a nukleinsavak, fehérjék és lipidek mind foszfort használnak, de el tudjuk képzelni, hogy ez egyszerűbb molekulák későbbi helyettesítése volt” – mondta Hud.

a nukleinsavakban például a foszfát “ragasztó” szerepét a glioxilát tölthette be, egy molekula, amelyet ma is használnak az életben. Hud úgy véli, hogy a foszfor nyomelemként indult néhány biológiai folyamatban, és csak később ismerte fel az élet a foszfor összes potenciálját az életre.”amint az élet kifejlesztette azt a molekuláris gépet, amely lehetővé tette a foszfor beépítését, sőt a foszfor” betakarítását”, az élet magasabb szintre lépett volna ” – mondta Hud. “A foszfát felvétele valószínűleg jelentős evolúciós előrelépést jelentett az életben (ha nem volt ott a legelején), ezért rendkívül fontos az élet eredetének és korai evolúciójának megértéséhez.”

ezt a történetet az Astrobiology magazin szolgáltatta, egy webalapú kiadvány, amelyet a NASA astrobiology program szponzorált.