Kosmiczna Historia życiodajnego fosforu

pomimo imponującego biologicznego wznowienia fosfor jest stosunkowo niedostępny w miarę pojawienia się pierwiastków . Aby zrozumieć, w jaki sposób fosfor uzyskał swoją znaczącą rolę, naukowcy modelują wczesne środowisko geochemiczne na Ziemi i w kosmosie.

najczęstszymi pierwiastkami w typowej komórce są wodór, tlen, węgiel, azot, fosfor i siarka. Wszystkie te, z wyjątkiem fosforu, znajdują się w pierwszej dziesiątce najliczniejszych pierwiastków w Układzie Słonecznym. Fosfor jest pod numerem 17.

„fosfor jest najmniej obfitym pierwiastkiem kosmicznie w stosunku do jego obecności w biologii”, powiedział Matthew Pasek z University of South Florida.

ten niedobór fosforu jest jeszcze bardziej dotkliwy na powierzchni Ziemi, gdzie duża część fosforu jest zamknięta w pewnych minerałach, z których życie ma trudności w wykorzystywaniu.

w jaki sposób życie zaczęło zależeć od tego stosunkowo rzadkiego pierwiastka?

Pasek kieruje wysiłkiem, aby wyjaśnić możliwe szlaki chemiczne, które fosfor mógł podjąć, aby stać się dostępnym dla życia na wczesnej Ziemi. Badania te są wspierane przez program Exobiology and Evolutionary Biology NASA.

nie ma wystarczającej ilości

fosfor zwykle nie przyciąga tyle uwagi, co inne niezbędne składniki odżywcze, takie jak wapń i żelazo, ale pierwiastek P pojawia się w zaskakująco szerokim zakresie cząsteczek biologicznych.

na początek fosfor jest ważnym elementem strukturalnym w DNA i RNA. Obie te cząsteczki genetyczne mają szkielet cukrowo-fosforanowy. Fosforan (PO4) działa jako rodzaj „super kleju”, ponieważ ma trzy atomy tlenu, które będą przenosić ładunki w roztworze. Dwa z tych atomów tlenu tworzą wiązania jonowe z dwoma sąsiednimi cukrami, podczas gdy trzeci tlen pozostaje „zwisający” z ujemnym ładunkiem, który sprawia, że cała cząsteczka DNA lub RNA jest naładowana ujemnie. Ten ogólny ładunek pomaga utrzymać cząsteczkę przed dryfowaniem poza jej zakazaną lokalizacją.

niewiele cząsteczek mogło wykonać ten akt żonglowania trzema ładunkami. Arsenat to jedna z możliwości. Niedawno grupa badaczy twierdziła, że znalazła drobnoustroje, które mogłyby użyć arsenatu zamiast fosforanu, ale kontrowersje pozostają wokół tego domniemanego odkrycia.

„ława przysięgłych wciąż nie ma nad arsenianem, ale jasne jest, że fosforan jest najlepszym rozwiązaniem, gdy ma się wybór” – powiedział Pasek.

fosforan odgrywa w komórce inne role, poza tym w DNA. Pojawia się trzy razy w adenozynotrifosforanie lub ATP, który jest istotną formą magazynowania energii w komórkach. Wiele funkcji biologicznych wymaga energii z rozpadu (lub spalania) ATP, który jest często nazywany „molekularną jednostką waluty” w przekazywaniu energii.

„organizm ludzki każdego dnia waży ATP i spala go” – wyjaśnia Pasek.

fosfor odgrywa również ważną rolę u kręgowców, których kości i zęby zawierają apatyt, wysoce stabilny minerał fosforanowy.

otrzymywanie witaminy P

ze względu na swoją istotną rolę, wszystkie organizmy na Ziemi muszą znaleźć źródło fosforu.

ludzie i inne zwierzęta otrzymują fosfor od jedzenia roślin (lub przez jedzenie zwierząt, które jedzą rośliny). Rośliny wyciągają związki fosforu z gleby, ale wiele z nich jest materiałem pochodzącym z recyklingu z rozkładającej się materii organicznej.

rośliny nie są w stanie poddać recyklingowi całego dostępnego fosforu w glebie, więc część z nich trafia do oceanu przez Spływ. Tam może być używany przez organizmy morskie, ale ostatecznie fosforan osiada na dnie morskim, gdzie zostaje włączony do osadów skalnych.

gdy fosfor jest zamknięty w nierozpuszczalnych minerałach, trwa bardzo długo, zanim powróci do formy, którą mogą wykorzystać rośliny i inne organizmy. Rzeczywiście, cykl fosforu jest jednym z najwolniejszych cykli pierwiastków o znaczeniu biologicznym.

niezadowoleni z czekania na procesy geologiczne uwalniające fosfor, ludzie obecnie poświęcają wiele wysiłku na wydobycie „fosforanu skalnego”i chemiczną modyfikację go, aby wyprodukować nawóz.

i tu jest problem dla astrobiologów. Pierwsze formy życia nie miały nikogo, kto by posypywał je nawozem bogatym w P, więc skąd wzięły swój fosfor?

inna ścieżka

Większość fosforu na powierzchni Ziemi znajduje się w pewnym rodzaju fosforanów. Pasek wyjaśnia, że fosforan jest najniższym stanem energetycznym dla P w środowisku bogatym w tlen na naszej planecie. Ale istnieją również inne-bardziej zredukowane-związki fosforu.

„zredukowany fosfor jest bardziej reaktywny chemicznie niż fosforan” – powiedział Pasek. Ta dodatkowa reaktywność mogła pomóc fosforowi przedostać się do gry życia miliardy lat temu.

przykładami zredukowanych związków fosforu są fosforki. Cząsteczki te są zazwyczaj kombinacjami fosforu i metali, takich jak fosforek cynku znajdujący się w truciźnie na szczury lub fosforek żelaza i niklu zwany schreibersytem.

ziemia zawiera dużo fosforku, ale większość znajduje się w rdzeniu, Zakopanym pod 2000 milami skał. Na powierzchni jednym z najczęstszych, naturalnie występujących fosforków jest schreibersyt, który nie pochodzi z dołu, ale z góry w postaci meteorytów.

„nie możemy wydobyć materiału rdzenia z ziemi, ale mamy dostęp do materiału rdzenia planetoid, które rozpadły się, tworząc meteoryty” – powiedział Pasek.

Fosforki mają tendencję do tworzenia się tam, gdzie brakuje tlenu, a metale są obfite. Stąd rdzenie większości ciał astronomicznych mają fosforki. Fosforki mogą również tworzyć się, gdy minerał fosforanowy zostaje uderzony piorunem lub uderzeniem o dużej energii.

Pasek i jego współpracownicy badali geologiczne próbki fosforków i odkryli, że większość fosforków na powierzchni Ziemi pochodzi z meteorytów. Z czasem znaczna część tego materiału przekształciła się w fosforany. Zespół szacuje, że od 1 do 10 procent fosforanów znajdujących się obecnie na Ziemi pochodzi z meteorytów.

cofając zegar

chociaż fosforki i inne zredukowane związki fosforu nie odgrywają większej roli w obecnej biologii, mogły być bardziej widoczne, ponieważ życie walczyło o przyczółek na tej planecie.

za pomocą symulacji komputerowych Pasek i jego współpracownicy modelują chemię związaną z P w różnych okresach czasu od początku układu słonecznego do wczesnych etapów życia. Skupiają się na Ziemi, ale przyglądają się też innym miejscom, poza tym, gdzie Chemia P mogła być ważna, jak komety i księżyc Tytan.

rozszerzyli swoje symulacje eksperymentami, w których schreibersyt i inne minerały meteorytowe są dodawane do „pierwotnej zupy” wody i cząsteczek organicznych. Mieszaniny wytworzyły niektóre związki organiczno-fosforowe, które są podobne do tych występujących w biologii. Na przykład naukowcy wyłowili trifosforany, które należą do tej samej rodziny molekularnej co ATP.

„do tej pory mieliśmy szczęście z naszymi eksperymentami” – powiedział Pasek.

oryginalny przepis?

dzięki swojej pracy Zespół Pasek ma nadzieję zapewnić krajobraz chemiczny fosforu przez pierwsze 2 miliardy lat historii geologicznej Ziemi. Może to pomóc odkryć, kiedy i w jaki sposób życie tak mocno zależy od tego elementu.

„czas i sposób wejścia fosforu w życie to naprawdę intrygująca zagadka” – mówi Nicholas Hud z Georgia Tech.

Hud uważa, że fosfor mógł nie być jednym ze składników pierwszej receptury życia.

„kwasy nukleinowe, białka i lipidy wykorzystują fosfor, ale możemy sobie wyobrazić, że był to późniejszy substytut prostszych cząsteczek”, powiedział Hud.

w kwasach nukleinowych, na przykład, rola „kleju” fosforanu mogła być wypełniona przez glioksylan, cząsteczkę używaną do dziś w życiu. Hud uważa, że fosfor mógł być pierwiastkiem śladowym w kilku procesach biologicznych, a dopiero później życie uświadomiło sobie cały potencjał, jaki fosfor ma dla życia.

„gdy życie rozwinęło molekularną maszynerię, która pozwalała na włączenie fosforu, a nawet” zbieranie „fosforu, życie przeniosłoby się na wyższy poziom”, powiedział Hud. „Włączenie fosforanu prawdopodobnie stanowiło duży postęp ewolucyjny w życiu (jeśli nie było go na samym początku) i dlatego jest niezwykle ważne dla zrozumienia pochodzenia i wczesnej ewolucji życia.”

Ta historia została dostarczona przez Astrobiology Magazine, publikację internetową sponsorowaną przez NASA astrobiology program.