Istoria cosmică a fosforului dătător de viață

În ciuda CV-ului său biologic impresionant, fosforul este relativ inaccesibil pe măsură ce elementele merg. Pentru a înțelege modul în care fosforul și-a obținut rolul proeminent, oamenii de știință modelează mediul geochimic timpuriu pe Pământ și în spațiu.

cele mai comune elemente dintr-o celulă tipică sunt hidrogenul, oxigenul, carbonul, azotul, fosforul și sulful. Toate acestea, cu excepția fosforului, se află în top 10 dintre cele mai abundente elemente din Sistemul solar. Fosforul vine la numărul 17.”fosforul este cel mai puțin abundent element cosmic în raport cu prezența sa în biologie”, a spus Matthew Pasek de la Universitatea din Florida de Sud.

această lipsă de fosfor este și mai acută pe suprafața Pământului, unde o mare parte din fosfor este blocat în anumite minerale pe care viața are dificultăți în a le folosi.

deci, cum a ajuns viața să depindă de acest element relativ rar?

Pasek se îndreaptă spre un efort de a explica posibilele căi chimice pe care fosforul le-ar fi putut lua pentru a deveni disponibile pentru viața de pe pământul timpuriu. Această cercetare este susținută de programul de exobiologie și biologie evolutivă al NASA.

nu poate obține suficient

fosforul nu primește de obicei la fel de multă atenție ca alți nutrienți esențiali, cum ar fi calciul și fierul, dar elementul P apare într-o gamă surprinzător de largă de molecule biologice.

pentru început, fosforul este un element structural important în ADN și ARN. Ambele molecule genetice au o coloană vertebrală de zahăr-fosfat. Fosfatul (PO4) funcționează ca un fel de „super adeziv”, deoarece are trei atomi de oxigen care vor transporta încărcături în soluție. Doi dintre acești atomi de oxigen formează legături ionice cu două zaharuri vecine, în timp ce al treilea oxigen este lăsat „atârnat” cu o sarcină negativă care face ca întreaga moleculă de ADN sau ARN să fie încărcată negativ. Această sarcină generală ajută la menținerea moleculei în derivă din locația sa interzisă.

Nu multe molecule ar putea efectua acest act de jonglerie cu trei sarcini. Arsenatul este o posibilitate. Recent, un grup de cercetători au susținut că au găsit un microb care ar putea folosi arsenatul în locul fosfatului, dar rămân controverse cu privire la această presupusă descoperire.”juriul este încă în afara arsenatului, dar este clar că fosfatul este cea mai bună opțiune atunci când i se oferă o alegere”, a spus Pasek.

fosfatul joacă și alte roluri în celulă, în afară de cel din ADN. Apare de trei ori în adenozin trifosfat sau ATP, care este o formă vitală de stocare a energiei în celule. Multe funcții biologice necesită energia din defalcarea (sau arderea) ATP, care este adesea numită „unitatea moleculară a monedei” în transferul de energie.

„corpul uman își face greutatea în ATP în fiecare zi și îl arde”, explică Pasek.

fosforul are, de asemenea, un rol important în vertebrate, ale căror oase și dinți conțin apatită, un mineral fosfat foarte stabil.datorită rolului său vital, toate organismele de pe pământ trebuie să găsească o sursă de fosfor.

oamenii și alte animale își obțin fosforul din consumul de plante (sau prin consumul de animale care mănâncă plante). Plantele extrag compuși ai fosforului din sol, dar o mare parte din acestea sunt materiale reciclate din materia organică în descompunere.

plantele nu sunt capabile să recicleze tot fosforul Disponibil în sol, așa că o parte din acesta ajunge în ocean prin scurgere. Acolo, poate fi folosit de organismele marine, dar în cele din urmă fosfatul se așează pe fundul mării, unde devine încorporat în sedimentele de rocă.odată ce fosforul este blocat în minerale insolubile, este nevoie de foarte mult timp pentru a reveni la o formă pe care plantele și alte organisme o pot folosi. Într-adevăr, ciclul fosforului este unul dintre cele mai lente cicluri de elemente de importanță biologică.

nu este mulțumit de așteptare pentru procesele geologice pentru a elibera fosfor, oamenii petrec în prezent o mulțime de minerit efort „fosfat de rocă” și modificarea chimic pentru a face îngrășământ.

și asta e problema astrobiologilor. Primele forme de viață nu ar fi avut pe nimeni să stropească îngrășăminte bogate în P pe ele, deci de unde și-au luat fosforul?

o cale diferită

cea mai mare parte a fosforului de pe suprafața Pământului se găsește într-un anumit tip de fosfat. Motivul, explică Pasek, este că fosfatul este cea mai mică stare de energie pentru P în mediul bogat în oxigen al planetei noastre. Dar există și alți compuși – mai reduși-ai fosforului.

„fosforul redus este mai reactiv chimic decât fosfatul”, a spus Pasek. Această reactivitate suplimentară ar fi putut ajuta fosforul să se strecoare în jocul vieții cu miliarde de ani în urmă.

Exemple de compuși ai fosforului redus includ fosfidele. Aceste molecule sunt de obicei combinații de fosfor și metale, cum ar fi fosfura de zinc Găsită în otravă de șobolan sau fosfura de fier-nichel numită schreibersit.

Pământul conține multă fosfură, dar cea mai mare parte este în miez, îngropată sub 2.000 de mile de rocă. La suprafață, una dintre cele mai comune fosfide care apar în mod natural este schreibersite, care nu vine de jos, ci de sus sub formă de meteoriți. „nu putem scoate materialul de bază de pe Pământ, dar avem acces la Materialul de bază al asteroizilor care s-au rupt pentru a crea meteoriți”, a spus Pasek.

Fosfidele tind să se formeze oriunde oxigenul este rar și metalele sunt abundente. Prin urmare, nucleele majorității corpurilor astronomice au fosfide. Fosfidele se pot forma, de asemenea, atunci când un mineral fosfat este lovit de fulgere sau de un impact energetic ridicat.Pasek și colegii săi au studiat mostre geologice de fosfide și au descoperit că majoritatea fosfidelor de pe suprafața Pământului provin de la meteoriți. De-a lungul timpului, o mare parte din acest material a evoluat la fosfați. Echipa estimează că 1 până la 10% din fosfații găsiți în prezent pe pământ provin de la meteoriți.

întoarcerea ceasului

deși fosfidele și alți compuși ai fosforului redus nu joacă un rol major în biologia actuală, este posibil să fi fost mai proeminenți pe măsură ce viața s-a străduit să facă un punct de sprijin pe această planetă.

cu simulări pe computer, Pasek și colegii săi modelează chimia legată de P în diferite perioade de timp de la începutul sistemului solar până la primele etape ale vieții. Se concentrează pe Pământ, dar se uită și la alte locuri în afară de unde chimia P ar fi putut fi importantă, cum ar fi cometele și luna Titan.

și-au mărit simulările cu experimente, în care schreibersite și alte minerale meteorice sunt adăugate la o „supă primordială” de apă și molecule organice. Amestecurile au produs câțiva compuși organo-fosforici care sunt similari cu cei găsiți în biologie. De exemplu, cercetătorii au pescuit trifosfați care aparțin aceleiași familii moleculare ca ATP.”am avut noroc cu experimentele noastre până acum”, a spus Pasek.

reteta originala?

prin munca lor, echipa lui Pasek speră să furnizeze peisajul chimic al fosforului în primii 2 miliarde de ani din istoria geologică a Pământului. Acest lucru ar putea ajuta descoperi când și cum viața a ajuns să depindă atât de puternic pe acest element.

„timpul și modul de intrare a fosforului în viață este un puzzle cu adevărat intrigant”, spune Nicholas Hud de la Georgia Tech.

Hud crede că fosforul poate să nu fi fost unul dintre ingredientele din prima rețetă a vieții.”acizii nucleici, proteinele și lipidele folosesc fosfor, dar ne putem imagina că a fost o înlocuire ulterioară a moleculelor mai simple”, a spus Hud.

în acizii nucleici, de exemplu, rolul de „adeziv” al fosfatului ar fi putut fi umplut de glioxilat, o moleculă încă folosită în viață astăzi. Hud crede că fosforul ar fi putut începe ca un oligoelement în câteva procese biologice și abia mai târziu viața a realizat tot potențialul pe care îl are fosforul pentru viață.”odată ce viața a dezvoltat mecanismul molecular care a permis încorporarea fosforului și chiar” recoltarea „fosforului, viața s-ar fi mutat la un nivel superior”, a spus Hud. „Includerea fosfatului a reprezentat probabil un progres evolutiv major în viață (dacă nu a fost acolo la început) și, prin urmare, este extrem de importantă pentru înțelegerea originii și evoluției timpurii a vieții.”

această poveste a fost furnizată de revista Astrobiology, o publicație bazată pe web sponsorizată de programul NASA astrobiology.