Den Kosmiske Historien om Livgivende Fosfor

Til Tross for sin imponerende biologiske cv, fosfor er relativt utilgjengelig som elementer gå. For å forstå hvordan fosfor fikk sin fremtredende rolle, modellerer forskere det tidlige geokjemiske miljøet på Jorden og i rommet.de vanligste elementene i en typisk celle er hydrogen, oksygen, karbon, nitrogen, fosfor og svovel. Alle disse, unntatt fosfor, er i topp 10 av de mest tallrike elementene i solsystemet. Fosfor kommer inn på nummer 17.»Fosfor er det minst rikelige elementet kosmisk i forhold til dets tilstedeværelse i biologi,» Sa Matthew Pasek fra University Of South Florida.denne mangelen på fosfor er enda mer akutt på Jordens overflate, hvor mye av fosforet er låst opp i visse mineraler som livet har problemer med å bruke.

Så hvordan ble livet avhengig av dette relativt sjeldne elementet?Pasek er på vei til et forsøk på å redegjøre for mulige kjemiske veier som fosfor kunne ha tatt for å bli tilgjengelig for liv på Den tidlige Jorden. Denne forskningen støttes av NASAS Exobiology and Evolutionary Biology program. Fosfor får vanligvis ikke så mye oppmerksomhet som andre essensielle næringsstoffer som kalsium og jern, men elementet P dukker opp i et overraskende bredt spekter av biologiske molekyler.for det første er fosfor et viktig strukturelt element I DNA og RNA. Begge disse genetiske molekylene har en sukkerfosfat ryggrad. Fosfatet (PO4) fungerer som en slags «super lim», siden det har tre oksygenatomer som vil bære kostnader i oppløsning. To av disse oksygenatomer danner ioniske bindinger med to nærliggende sukkerarter, mens det tredje oksygenet blir igjen «dangling» med en negativ ladning som gjør HELE DNA-eller RNA-molekylet negativt ladet. Denne totale ladningen bidrar til å holde molekylet fra å drive ut av sin forbudte plassering.

Ikke mange molekyler kunne utføre denne tre-ladede sjonglering-handlingen. Arsenat er en mulighet. Nylig hevdet en gruppe forskere å ha funnet en mikrobe som kunne bruke arsenat i stedet for fosfat, men kontrovers forblir over denne antatte oppdagelsen.»juryen er fortsatt ute over arsenat, men det er klart at fosfat er det beste alternativet når det gis et valg,» Sa Pasek.

Fosfat spiller andre roller i cellen i TILLEGG TIL DET I DNA. Det viser seg tre ganger i adenosintrifosfat, ELLER ATP, som er en viktig form for energilagring i celler. Mange biologiske funksjoner krever energien fra sammenbrudd (ELLER brenning) AV ATP, som ofte kalles «molekylær valutaenhet» i energioverføring.»menneskekroppen gjør sin vekt i ATP hver dag og brenner den,» Forklarer Pasek.Fosfor har også en viktig rolle i vertebrater, hvis bein og tenner inneholder apatitt, et svært stabilt fosfatmineral.

Å Få vitamin P

På grunn av sin vitale rolle, må alle organismer på Jorden finne en kilde til fosfor.Mennesker og andre dyr får fosfor fra å spise planter (eller ved å spise dyr som spiser planter). Planter trekker ut fosforforbindelser fra jorda, men mye av dette er resirkulert materiale fra forfallende organisk materiale.Planter er ikke i stand til å resirkulere alt tilgjengelig fosfor i jorda, så noe av det ender opp med å gå inn i havet gjennom avrenning. Der kan den brukes av marine organismer, men til slutt legger fosfatet seg på havbunnen hvor det blir innlemmet i bergsedimenter.når fosforet er låst opp i uoppløselige mineraler, tar det svært lang tid for det å gå tilbake til en form som planter og andre organismer kan bruke. Faktisk er fosforsyklusen en av de langsomste elementsyklusene av biologisk betydning.Ikke fornøyd med å vente på geologiske prosesser for å frigjøre fosfor, bruker mennesker for tiden mye arbeid på gruvedrift «rock fosfat» og kjemisk modifisere det for å lage gjødsel.

Og det er gni for astrobiologer. De første livsformer ville ikke ha hatt Noen til å sprute P-rik gjødsel på dem, så hvor fikk de fosforet fra?

En annen vei

Det Meste av fosforet på Jordoverflaten finnes i en eller annen type fosfat. Årsaken, Forklarer Pasek, er at fosfat er den laveste energitilstanden For P i planetens oksygenrike miljø. Men andre-mer reduserte-fosforforbindelser eksisterer også.»Redusert fosfor er mer kjemisk reaktivt enn fosfat,» Sa Pasek. Denne ekstra reaktiviteten kunne ha hjulpet fosfor til å snike seg inn i livets spill for milliarder år siden.

Eksempler på reduserte fosforforbindelser inkluderer fosfider. Disse molekylene er vanligvis kombinasjoner av fosfor og metaller, som sinkfosfidet som finnes i rottegift eller jern-nikkelfosfidet kalt schreibersitt.Jorden inneholder mye fosfid, men det meste er i kjernen, begravet under 2000 miles av stein. På overflaten er en av de vanligste, naturlig forekommende fosfidene schreibersitt, som ikke kommer nedenfra, men ovenfra i form av meteoritter. «vi kan ikke få ut kjernemateriale fra Jorden, men Vi har tilgang til kjernematerialet til asteroider som har brutt fra hverandre for å skape meteoritter,» Sa Pasek.Fosfider har en tendens til å danne hvor oksygen er knappe og metaller er rikelig. Derfor har kjernene til de fleste astronomiske legemer fosfider. Fosfider kan også dannes når et fosfatmineral rammes av lyn eller en høy-energi innvirkning.Pasek og hans kolleger har studert geologiske prøver av fosfider, og de har funnet ut at de fleste fosfidene på Jordens overflate kom fra meteoritter. Over tid har mye av dette materialet utviklet seg til fosfater. Teamet anslår at 1 til 10 prosent av fosfatene som for tiden finnes på Jorden, kom fra meteoritter.Selv om fosfider og andre reduserte fosforforbindelser ikke spiller noen stor rolle i dagens biologi, kan de ha vært mer fremtredende da livet kjempet for å få fotfeste på denne planeten.Med datasimuleringer modellerer Pasek Og hans kolleger P-relatert kjemi i forskjellige tidsperioder fra solsystemets begynnelse til de tidlige stadier av livet. De fokuserer på Jorden, men de ser også på andre steder i tillegg Til Hvor P-kjemi kan ha vært viktig, som kometer og månen Titan.De har utvidet sine simuleringer med eksperimenter, hvor schreibersitt og andre meteoriske mineraler legges til en «primordial suppe» av vann og organiske molekyler. Blandingene har produsert noen organo-fosforforbindelser som ligner de som finnes i biologi. For eksempel har forskerne fisket ut trifosfater som tilhører samme molekylære familie som ATP.»Vi har hatt lykke til med våre eksperimenter så langt,» Sa Pasek.

Opprinnelig oppskrift?Gjennom Sitt arbeid håper Paseks team å gi fosforkjemisk landskap gjennom De første 2 milliarder årene Av Jordens geologiske historie. Dette kan bidra til å avdekke når og hvordan livet kom til å avhenge så sterkt på dette elementet.»tiden og modusen for fosforinngang i livet er et veldig spennende puslespill,» sier Nicholas Hud fra Georgia Tech.Hud mener fosfor kanskje ikke har vært en av ingrediensene i livets første oppskrift.»Nukleinsyrer, proteiner og lipider bruker alle fosfor, men vi kan forestille oss at Det var en senere substitusjon av enklere molekyler,» Sa Hud.

i nukleinsyrer, for eksempel, «lim» rolle fosfat kunne ha blitt fylt av glyoksylat, et molekyl som fortsatt brukes i livet i dag. Hud mener fosfor kan ha startet som et sporelement i noen biologiske prosesser, og først senere innså livet alt potensialet fosfor har for livet.»Når livet utviklet det molekylære maskineriet som tillot inkorporering av fosfor, og til og med «høsting» av fosfor, ville livet ha flyttet til et høyere nivå, » Sa Hud. «Inkluderingen av fosfat representerte sannsynligvis et stort evolusjonært fremskritt i livet (hvis det ikke var der i begynnelsen) og er derfor ekstremt viktig for å forstå livets opprinnelse og tidlige utvikling.»denne historien ble levert Av Astrobiology Magazine, en nettbasert publikasjon sponset AV NASA astrobiology program.