Den kosmiska historien om livgivande fosfor

trots sitt imponerande biologiska CV är fosfor relativt otillgänglig när element går. För att förstå hur fosfor fick sin framträdande roll modellerar forskare den tidiga geokemiska miljön på jorden och i rymden.

de vanligaste elementen i en typisk cell är väte, syre, kol, kväve, fosfor och svavel. Alla dessa, utom fosfor, är i topp 10 av de vanligaste elementen i solsystemet. Fosfor kommer in på nummer 17.

”fosfor är det minst rikliga elementet kosmiskt i förhållande till dess närvaro i biologi”, säger Matthew Pasek från University of South Florida.

denna brist på fosfor är ännu mer akut på jordens yta, där mycket av fosforen är låst i vissa mineraler som livet har svårt att använda sig av.

Så hur kom livet att bero på detta relativt sällsynta element?

Pasek är på väg ett försök att redogöra för de möjliga kemiska vägar som fosfor kunde ha tagit för att bli tillgängliga för livet på den tidiga jorden. Denna forskning stöds av NASAs Exobiologi och Evolutionsbiologiprogram.

kan inte få nog

fosfor får vanligtvis inte lika mycket uppmärksamhet som andra viktiga näringsämnen som kalcium och järn, men elementet P dyker upp i ett överraskande brett spektrum av biologiska molekyler.

till att börja med är fosfor ett viktigt strukturellt element i DNA och RNA. Båda dessa genetiska molekyler har en sockerfosfatryggrad. Fosfatet (PO4) fungerar som ett slags ”superlim”, eftersom det har tre syreatomer som kommer att bära laddningar i lösning. Två av dessa syreatomer bildar jonbindningar med två angränsande sockerarter, medan det tredje syret lämnas ”dinglande” med en negativ laddning som gör hela DNA-eller RNA-molekylen negativt laddad. Denna totala laddning hjälper till att hålla molekylen från att driva ut ur sin förbjudna plats.

inte många molekyler kan utföra denna treladdade jongleringshandling. Arsenat är en möjlighet. Nyligen hävdade en grupp forskare att de hade hittat en mikrobe som kunde använda arsenat i stället för fosfat, men kontroversen kvarstår över denna förmodade upptäckt.”juryn är fortfarande ute över arsenat, men det är uppenbart att fosfat är det bästa alternativet när det ges ett val”, sa Pasek.

fosfat spelar andra roller i cellen förutom det i DNA. Det dyker upp tre gånger i adenosintrifosfat, eller ATP, vilket är en viktig form av energilagring i celler. Många biologiska funktioner kräver energi från nedbrytning (eller förbränning) av ATP, som ofta kallas ”molekylär valutaenhet” vid energiöverföring.

”människokroppen gör sin vikt i ATP varje dag och bränner den”, förklarar Pasek.fosfor har också en viktig roll i ryggradsdjur, vars ben och tänder innehåller apatit, ett mycket stabilt fosfatmineral.

få ditt vitamin P

på grund av sin vitala roll måste alla organismer på jorden hitta en fosforkälla.

människor och andra djur får sin fosfor från att äta växter (eller genom att äta djur som äter växter). Växter drar ut fosforföreningar från jorden, men mycket av detta är återvunnet material från förfallande organiskt material.

växter kan inte återvinna all tillgänglig fosfor i jorden, så en del av det hamnar i havet genom avrinning. Där kan den användas av marina organismer, men så småningom sätter fosfatet sig på havsbotten där det införlivas i bergssediment.

När fosforn är inlåst i olösliga mineraler tar det mycket lång tid för den att återgå till en form som växter och andra organismer kan använda. Fosforcykeln är faktiskt en av de långsammaste elementcyklerna av biologisk betydelse.

inte nöjd med att vänta på geologiska processer för att frigöra fosfor, människor spenderar för närvarande mycket ansträngning på att bryta ”rockfosfat” och kemiskt modifiera det för att göra gödselmedel.

och det finns gnidning för astrobiologer. De första livsformerna skulle inte ha haft någon att strö P-rik gödselmedel på dem, så var fick de sin fosfor från?

en annan väg

det mesta av fosforen på jordens yta finns i någon typ av fosfat. Anledningen, förklarar Pasek, är att fosfat är det lägsta energitillståndet för P i vår planets syrerika miljö. Men andra – mer reducerade-fosforföreningar finns också.

”reducerad fosfor är mer kemiskt reaktiv än fosfat”, sa Pasek. Denna extra reaktivitet kunde ha hjälpt fosfor att smyga sig in i livets spel för miljarder år sedan.

exempel på reducerade fosforföreningar inkluderar fosfider. Dessa molekyler är vanligtvis kombinationer av fosfor och metaller, som zinkfosfid som finns i råttgift eller järn-nickelfosfid som kallas schreibersite.

jorden innehåller mycket fosfid, men det mesta ligger i kärnan, begravd under 2000 miles av sten. På ytan är en av de vanligaste, naturligt förekommande fosfiderna schreibersit, som inte kommer underifrån utan uppifrån i form av meteoriter.

”Vi kan inte få ut kärnmaterial från jorden, men vi har tillgång till kärnmaterialet av asteroider som har brutit ihop för att skapa meteoriter”, sa Pasek.

Fosfider tenderar att bildas varhelst syre är knappt och metaller är rikliga. Därför har kärnorna i de flesta astronomiska kroppar fosfider. Fosfider kan också bildas när ett fosfatmineral träffas av blixtnedslag eller en hög energipåverkan.Pasek och hans kollegor har studerat geologiska prover av fosfider, och de har funnit att de flesta fosfiderna på jordens yta kom från meteoriter. Med tiden har mycket av detta material utvecklats till fosfater. Teamet uppskattar att 1 till 10 procent av fosfaterna som för närvarande finns på jorden kom från meteoriter.

vrida tillbaka klockan

även om fosfider och andra reducerade fosforföreningar inte spelar någon större roll i Nuvarande biologi, kan de ha varit mer framträdande när livet kämpade för att få fotfäste på denna planet.

med datorsimuleringar modellerar Pasek och hans kollegor P-relaterad kemi vid olika tidsperioder från början av solsystemet fram till de tidiga stadierna av livet. De fokuserar på jorden, men de tittar också på andra platser förutom där P-kemi kan ha varit viktigt, som kometer och månen Titan.

de har förstärkt sina simuleringar med experiment, där schreibersite och andra meteoriska mineraler läggs till en ”primordial soppa” av vatten och organiska molekyler. Blandningarna har producerat några organiska fosforföreningar som liknar de som finns i biologi. Till exempel har forskarna fiskat ut trifosfater som tillhör samma molekylära familj som ATP.

”Vi har haft lycka till med våra experiment hittills”, sa Pasek.

originalrecept?genom sitt arbete hoppas Paseks team kunna tillhandahålla fosforkemiskt landskap genom de första 2 miljarder åren av jordens geologiska historia. Detta kan hjälpa till att upptäcka när och hur livet kom att bero så starkt på detta element.

”tiden och sättet för fosforinträde i livet är ett riktigt spännande pussel”, säger Nicholas Hud från Georgia Tech.Hud anser att fosfor kanske inte har varit en av ingredienserna i livets första recept.

”nukleinsyror, proteiner och lipider använder alla fosfor, men vi kan föreställa oss att det var en senare substitution av enklare molekyler,” sade Hud.

i nukleinsyror kunde till exempel fosfatens” lim ” – Roll ha fyllts av glyoxylat, en molekyl som fortfarande används i livet idag. Hud tror att fosfor kan ha börjat som ett spårämne i några biologiska processer, och först senare insåg livet all den potential som fosfor har för livet.

”När livet utvecklat molekylära maskiner som tillät inkorporering av fosfor, och även” skörd ”av fosfor, livet skulle ha flyttat till en högre nivå,” Hud sade. ”Införandet av fosfat representerade sannolikt ett stort evolutionärt framsteg i livet (om det inte var där i början) och är därför oerhört viktigt för att förstå livets ursprung och tidiga utveckling.”

denna berättelse tillhandahölls av Astrobiology Magazine, en webbaserad publikation sponsrad av NASA astrobiology program.