La storia cosmica del fosforo vitale

Nonostante il suo impressionante curriculum biologico, il fosforo è relativamente inaccessibile come vanno gli elementi. Per capire come il fosforo ha ottenuto il suo ruolo di primo piano, gli scienziati stanno modellando il primo ambiente geochimico sulla Terra e nello spazio.

Gli elementi più comuni in una cellula tipica sono idrogeno, ossigeno, carbonio, azoto, fosforo e zolfo. Tutti questi, tranne il fosforo, sono nella top 10 degli elementi più abbondanti nel sistema solare. Il fosforo arriva al numero 17.

“Il fosforo è l’elemento meno abbondante cosmicamente rispetto alla sua presenza in biologia”, ha detto Matthew Pasek della University of South Florida.

Questa scarsità di fosforo è ancora più acuta sulla superficie terrestre, dove gran parte del fosforo è rinchiuso in alcuni minerali che la vita ha difficoltà a fare uso di.

Quindi, come è arrivata la vita a dipendere da questo elemento relativamente raro?

Pasek sta dirigendo uno sforzo per tenere conto delle possibili vie chimiche che il fosforo avrebbe potuto prendere per diventare disponibile per la vita sulla Terra primitiva. Questa ricerca è supportata dal programma di esobiologia e biologia evolutiva della NASA.

Non ne ha mai abbastanza

Il fosforo di solito non riceve la stessa attenzione di altri nutrienti essenziali come calcio e ferro, ma l’elemento P si presenta in una gamma sorprendentemente ampia di molecole biologiche.

Per cominciare, il fosforo è un importante elemento strutturale nel DNA e nell’RNA. Entrambe queste molecole genetiche hanno una spina dorsale di zucchero-fosfato. Il fosfato (PO4) funziona come una sorta di “super colla”, poiché ha tre atomi di ossigeno che porteranno cariche in soluzione. Due di questi atomi di ossigeno formano legami ionici con due zuccheri vicini, mentre il terzo ossigeno viene lasciato “penzolare” con una carica negativa che rende l’intera molecola di DNA o RNA carica negativamente. Questa carica complessiva aiuta a mantenere la molecola dalla deriva dalla sua posizione proscritta.

Non molte molecole potrebbero eseguire questo atto di giocoleria a tre cariche. L’arseniato è una possibilità. Recentemente, un gruppo di ricercatori ha affermato di aver trovato un microbo che potrebbe usare l’arseniato al posto del fosfato, ma rimangono polemiche su questa presunta scoperta.

“La giuria è ancora fuori dall’arseniato, ma è chiaro che il fosfato è l’opzione migliore quando viene data una scelta”, ha detto Pasek.

Il fosfato svolge altri ruoli nella cellula oltre a quello nel DNA. Si presenta tre volte in adenosina trifosfato, o ATP, che è una forma vitale di accumulo di energia nelle cellule. Molte funzioni biologiche richiedono l’energia dalla rottura (o combustione) dell’ATP, che viene spesso chiamata “unità molecolare di valuta” nel trasferimento di energia.

“Il corpo umano fa il suo peso in ATP ogni giorno e lo brucia”, spiega Pasek.

Il fosforo ha anche un ruolo importante nei vertebrati, le cui ossa e denti contengono apatite, un minerale fosfato altamente stabile.

Ottenere la vostra vitamina P

A causa del suo ruolo vitale, tutti gli organismi sulla Terra devono trovare una fonte di fosforo.

Gli esseri umani e gli altri animali ottengono il loro fosforo mangiando piante (o mangiando animali che mangiano piante). Le piante estraggono composti di fosforo dal terreno, ma molto di questo è materiale riciclato dalla materia organica in decomposizione.

Le piante non sono in grado di riciclare tutto il fosforo disponibile nel terreno, quindi parte di esso finisce per andare nell’oceano attraverso il deflusso. Lì, può essere utilizzato dagli organismi marini, ma alla fine il fosfato si deposita sul fondo marino dove viene incorporato nei sedimenti rocciosi.

Una volta che il fosforo è bloccato in minerali insolubili, ci vuole molto tempo per tornare a una forma che le piante e altri organismi possono utilizzare. In effetti, il ciclo del fosforo è uno dei cicli di elementi più lenti di importanza biologica.

Non soddisfatto di aspettare che i processi geologici liberino il fosforo, gli esseri umani attualmente spendono un sacco di sforzi per estrarre “fosfato di roccia” e modificarlo chimicamente per produrre fertilizzanti.

E c’è il problema per gli astrobiologi. Le prime forme di vita non avrebbero avuto nessuno a cospargere fertilizzante ricco di P su di loro, quindi da dove hanno preso il loro fosforo?

Un percorso diverso

La maggior parte del fosforo sulla superficie terrestre si trova in qualche tipo di fosfato. Il motivo, spiega Pasek, è che il fosfato è lo stato energetico più basso per P nell’ambiente ricco di ossigeno del nostro pianeta. Ma esistono anche altri-più ridotti-composti di fosforo.

“Il fosforo ridotto è più chimicamente reattivo del fosfato”, ha detto Pasek. Questa reattività extra potrebbe aver aiutato il fosforo a intrufolarsi nel gioco della vita miliardi di anni fa.

Esempi di composti di fosforo ridotti includono i fosfuri. Queste molecole sono tipicamente combinazioni di fosforo e metalli, come il fosfuro di zinco trovato nel veleno per topi o il fosfuro di ferro-nichel chiamato schreibersite.

La Terra contiene un sacco di fosfuro, ma la maggior parte di esso è nel nucleo, sepolto sotto 2.000 miglia di roccia. Sulla superficie, uno dei fosfuri naturali più comuni è la schreibersite, che non viene dal basso ma dall’alto sotto forma di meteoriti.

“Non possiamo estrarre materiale di base dalla Terra, ma abbiamo accesso al materiale di base degli asteroidi che si sono spezzati per creare meteoriti”, ha detto Pasek.

I fosfuri tendono a formarsi ovunque l’ossigeno sia scarso e i metalli siano abbondanti. Quindi, i nuclei della maggior parte dei corpi astronomici hanno fosfuri. I fosfuri possono anche formarsi quando un minerale fosfato viene colpito da un fulmine o da un impatto ad alta energia.

Pasek e i suoi colleghi hanno studiato campioni geologici di fosfuri e hanno scoperto che la maggior parte dei fosfuri sulla superficie terrestre proveniva da meteoriti. Nel corso del tempo, gran parte di questo materiale si è evoluto in fosfati. Il team stima che l ‘ 1-10% dei fosfati attualmente presenti sulla Terra provenga da meteoriti.

Tornando indietro l’orologio

Sebbene i fosfuri e altri composti di fosforo ridotti non giochino un ruolo importante nella biologia attuale, potrebbero essere stati più importanti mentre la vita faticava a prendere piede su questo pianeta.

Con simulazioni al computer, Pasek e i suoi colleghi stanno modellando la chimica correlata al P in diversi periodi di tempo dall’inizio del sistema solare fino alle prime fasi della vita. Si concentrano sulla Terra, ma stanno anche guardando altri luoghi oltre a dove la chimica P potrebbe essere stata importante, come le comete e la luna Titano.

Hanno aumentato le loro simulazioni con esperimenti, in cui la schreibersite e altri minerali meteorici vengono aggiunti a una “zuppa primordiale” di acqua e molecole organiche. Le miscele hanno prodotto alcuni composti organo-fosforo che sono simili a quelli trovati in biologia. Ad esempio, i ricercatori hanno pescato trifosfati che appartengono alla stessa famiglia molecolare dell’ATP.

“Abbiamo avuto fortuna con i nostri esperimenti finora”, ha detto Pasek.

Ricetta originale?

Attraverso il loro lavoro, il team di Pasek spera di fornire il paesaggio chimico del fosforo attraverso i primi 2 miliardi di anni della storia geologica della Terra. Questo potrebbe aiutare a scoprire quando e come la vita è venuto a dipendere così fortemente su questo elemento.

“Il tempo e la modalità di entrata del fosforo nella vita è un puzzle davvero intrigante”, afferma Nicholas Hud di Georgia Tech.

Hud ritiene che il fosforo potrebbe non essere stato uno degli ingredienti nella prima ricetta della vita.

“Gli acidi nucleici, le proteine e i lipidi usano tutti il fosforo, ma possiamo immaginare che sia stata una sostituzione successiva di molecole più semplici”, ha detto Hud.

Negli acidi nucleici, ad esempio, il ruolo di “colla” del fosfato potrebbe essere stato riempito dal gliossilato, una molecola ancora utilizzata nella vita di oggi. Hud pensa fosforo potrebbe aver iniziato come un oligoelemento in alcuni processi biologici, e solo più tardi ha fatto la vita realizzare tutto il potenziale che il fosforo ha per la vita.

“Una volta che life ha sviluppato il macchinario molecolare che ha permesso l’incorporazione del fosforo e persino la” raccolta “del fosforo, life si sarebbe spostato a un livello più alto”, ha detto Hud. “L’inclusione del fosfato probabilmente ha rappresentato un importante progresso evolutivo nella vita (se non c’era all’inizio) e quindi è estremamente importante per comprendere l’origine e l’evoluzione precoce della vita.”

Questa storia è stata fornita da Astrobiology Magazine, una pubblicazione web-based sponsorizzato dal programma astrobiology della NASA.