The Cosmic History of Life-Giving Phosphorus

Despite its impressive biological resume, phosphorus is relatively inacessible as elements go. Para entender como o fósforo obteve seu papel proeminente, os cientistas estão modelando o ambiente geoquímico inicial na terra e no espaço.

os elementos mais comuns em uma célula típica são hidrogênio, oxigênio, carbono, nitrogênio, fósforo e enxofre. Todos estes, exceto o fósforo, estão no top 10 dos elementos mais abundantes no sistema solar. O fósforo vem no número 17.

“O fósforo é o elemento menos abundante cosmicamente em relação à sua presença em biologia”, disse Matthew Pasek da Universidade do Sul da Flórida.esta escassez de fósforo é ainda mais aguda na superfície da terra, onde grande parte do fósforo está preso em certos minerais que a vida tem dificuldade em usar.então como a vida passou a depender deste elemento relativamente raro?

Pasek está liderando um esforço para levar em conta as possíveis vias químicas que o fósforo poderia ter tomado para se tornar disponível para a vida na Terra primitiva. Esta pesquisa é apoiada pelo Programa de exobiologia e biologia evolutiva da NASA.

não Pode obter o suficiente

o Fósforo não costuma ter tanta atenção como outros nutrientes essenciais como cálcio e ferro, mas o elemento P mostra-se na mente de uma variedade de moléculas biológicas.para começar, o fósforo é um elemento estrutural importante no ADN e no ARN. Ambas as moléculas genéticas têm uma espinha dorsal de açúcar-fosfato. The phosphate (PO4) works as a kind of “super glue”, since it has three oxygen atoms that will carry charges in solution. Dois destes átomos de oxigênio formam ligações iônicas com dois açúcares vizinhos, enquanto o terceiro oxigênio é deixado “pendurado” com uma carga negativa que faz com que todo o DNA ou molécula de RNA carregado negativamente. Esta carga global ajuda a evitar que a molécula se afaste da sua localização proibida.

poucas moléculas poderiam realizar este ato de malabarismo de três cargas. Arsenato é uma possibilidade. Recentemente, um grupo de pesquisadores alegou ter encontrado um micróbio que poderia usar arsenato no lugar do fosfato, mas a controvérsia permanece sobre esta suposta descoberta.

“O júri ainda está fora sobre o arsenato, mas é claro que o fosfato é a melhor opção quando dada uma escolha”, disse Pasek.o fosfato desempenha outros papéis na célula para além do ADN. Ele aparece três vezes no trifosfato de adenosina, ou ATP, que é uma forma vital de armazenamento de energia nas células. Muitas funções biológicas requerem a energia da decomposição (ou queima) de ATP, que é muitas vezes chamada de “unidade molecular de moeda” na transferência de energia.”o corpo humano faz o seu peso em ATP a cada dia e queima-o”, Explica Pasek.o fósforo também tem um papel importante nos vertebrados, cujos ossos e dentes contêm apatite, um mineral fosfato altamente estável.devido ao seu papel vital, todos os organismos na terra devem encontrar uma fonte de fósforo.os seres humanos e outros animais obtêm o seu fósforo por comerem plantas (ou por comerem animais que comem plantas). As plantas extraem compostos de fósforo do solo, mas muito disso é material reciclado de matéria orgânica em decomposição.as plantas não são capazes de reciclar todo o fósforo disponível no solo, por isso algumas delas acabam por ir para o oceano através do escoamento. Lá, pode ser usado por organismos marinhos, mas eventualmente o fosfato se instala no fundo do mar, onde se torna incorporado em sedimentos rochosos.uma vez que o fósforo está preso em minerais insolúveis, leva muito tempo para voltar a uma forma que plantas e outros organismos podem usar. Na verdade, o ciclo de fósforo é um dos ciclos de elementos mais lentos de importância biológica.não satisfeito com a espera de processos geológicos para libertar fósforo, os seres humanos atualmente gastam muito esforço minando “fosfato de rocha” e modificando-o quimicamente para fazer fertilizante.e há o problema dos astrobiólogos. As primeiras formas de vida não teriam ninguém para espalhar fertilizante rico em P, então de onde tiraram o fósforo?

Um caminho diferente

A maioria do fósforo na superfície da Terra é encontrada em algum tipo de fosfato. A razão, explica Pasek, é que o fosfato é o estado de menor energia para P no ambiente rico em oxigênio do nosso planeta. Mas outros-mais reduzidos-compostos de fósforo também existem.

“O fósforo reduzido é mais quimicamente reativo do que o fosfato”, disse Pasek. Esta reactividade extra podia ter ajudado o fósforo a infiltrar-se no jogo da vida há biliões de anos.exemplos de compostos fosforados reduzidos incluem os fosforetos. Estas moléculas são tipicamente combinações de fósforo e metais, como o fosforeto de zinco encontrado no veneno do rato ou o fosforeto de ferro-níquel chamado schreibersita.

a terra contém um monte de fosforeto, mas a maior parte está no núcleo, enterrado sob 2.000 milhas de rocha. Na superfície, um dos fosfetos naturais mais comuns é a schreibersita, que não vem de baixo, mas de cima, na forma de meteoritos. “não podemos sair do núcleo Material da Terra, mas temos acesso ao núcleo de asteroides que se separaram para criar meteoritos”, disse Pasek.os Fosfetos tendem a formar-se onde o oxigénio é escasso e os metais são abundantes. Assim, os núcleos da maioria dos corpos astronômicos têm fosforetos. Os fosfetos também podem se formar quando um mineral de fosfato é atingido por um raio ou um impacto de alta energia.Pasek e seus colegas estudaram amostras geológicas de fosforetos, e descobriram que a maioria dos fosforetos na superfície da terra veio de meteoritos. Ao longo do tempo, grande parte deste material evoluiu para fosfatos. A equipe estima que 1 a 10 por cento dos fosfatos encontrados atualmente na Terra vieram de meteoritos.embora os fosforetos e outros compostos de fósforo reduzidos não desempenhem nenhum papel importante na biologia atual, eles podem ter sido mais proeminentes à medida que a vida lutava para fazer um ponto de apoio neste planeta.com simulações computacionais, Pasek e seus colegas estão modelando química relacionada com P em diferentes períodos de tempo desde o início do sistema solar até os estágios iniciais da vida. Eles se concentram na Terra, mas eles também estão olhando para outros lugares além de onde a química P pode ter sido importante, como cometas e a lua Titã.

eles têm aumentado suas simulações com experimentos, em que schreibersita e outros minerais meteóricos são adicionados a uma “sopa primordial” de água e moléculas orgânicas. As misturas produziram alguns compostos organo-fósforo que são semelhantes aos encontrados na biologia. Por exemplo, os pesquisadores pescaram trifosfatos que pertencem à mesma família molecular que ATP.”tivemos boa sorte com as nossas experiências até agora”, disse Pasek.receita Original?através de seu trabalho, a equipe de Pasek espera fornecer a paisagem química de fósforo através dos primeiros 2 bilhões de anos da história geológica da Terra. Isso poderia ajudar a descobrir quando e como a vida veio a depender tão fortemente deste elemento.”o tempo e o modo de entrada de fósforo na vida é um puzzle intrigante”, diz Nicholas Hud, da Georgia Tech.

Hud acredita que o fósforo pode não ter sido um dos ingredientes da primeira receita da vida.

“ácidos nucleicos, proteínas e lípidos todos usam fósforo, mas podemos imaginar que foi uma substituição posterior de moléculas mais simples”, disse Hud.

em ácidos nucleicos, por exemplo, o papel de “cola” do fosfato poderia ter sido preenchido por glioxilato, uma molécula ainda usada na vida atual. Hud acha que o fósforo pode ter começado como um elemento traço em alguns processos biológicos, e só mais tarde a vida percebeu todo o potencial que o fósforo tem para a vida.

“Uma vez que a vida desenvolveu a maquinaria molecular que permitiu a incorporação de fósforo, e mesmo a ‘colheita’ de fósforo, a vida teria se movido para um nível mais elevado”, disse Hud. “A inclusão do fosfato provavelmente representou um grande avanço evolutivo na vida (se não estava lá no início) e, portanto, é extremamente importante para compreender a origem e a evolução precoce da vida.”

Esta história foi fornecida pela Astrobiology Magazine, uma publicação baseada na web patrocinada pelo programa astrobiologia da NASA.