Den Kosmiske Historie Af Livgivende Fosfor

{h1}

Forskere studerer, hvordan fosfor, som er sparsomt i solsystemet, kan have stammer fra livets begyndelse.

På trods af dets imponerende biologiske genoptagelse er fosfor relativt utilgængeligt som elementer går. For at forstå, hvordan fosfor har fået sin fremtrædende rolle, modellerer forskerne det tidlige geokemiske miljø på Jorden og i rummet.

De mest almindelige elementer i en typisk celle er hydrogen, oxygen, kulstof, nitrogen, fosfor og svovl. Alle disse undtagen fosfor er i top 10 af de mest rigelige elementer i solsystemet. Fosfor kommer ind på nummer 17.

"Fosfor er det mindst rigelige element kosmisk i forhold til dets tilstedeværelse i biologi," siger Matthew Pasek fra University of South Florida.

Denne mangel på fosfor er endnu mere akut på Jordens overflade, hvor meget af fosforet er låst i visse mineraler, som livet har svært ved at gøre brug af.

Så hvordan kom livet til at afhænge af dette relativt sjældne element?

Pasek tager en indsats for at redegøre for de mulige kemiske veje, som fosfor kunne have taget for at blive tilgængelig for livet på den tidlige Jorden. Denne forskning støttes af NASAs program for biobiologi og evolutionærbiologi. [50 fantastiske fakta om jorden]

Kan ikke få nok

Fosfor får normalt ikke så meget opmærksomhed som andre vigtige næringsstoffer som calcium og jern, men elementet P viser sig i en overraskende bred vifte af biologiske molekyler.

Til at begynde med er fosfor et vigtigt strukturelt element i DNA og RNA. Begge disse genetiske molekyler har en sukkerphosphat-rygrad. Fosfatet (PO4) fungerer som en slags "super lim", da den har tre oxygenatomer, der vil bære ladninger i opløsning. To af disse iltatomer danner ioniske bindinger med to nabostillede sukkerarter, mens det tredje ilt forbliver "dangling" med en negativ ladning, der gør hele DNA- eller RNA-molekylet negativt ladet. Denne samlede ladning hjælper med at holde molekylet fra at drive ud af sin forbudte placering.

Ikke mange molekyler kunne udføre denne tre-ladede jonglering handling. Arsenat er en mulighed. For nylig hævdede en gruppe forskere at have fundet en mikrobe, der kunne anvende arsenat i stedet for fosfat, men kontrovers forbliver over denne formodede opdagelse.

"Juryen er stadig ude over arsenat, men det er klart, at fosfat er den bedste løsning, når der vælges et valg," sagde Pasek.

Fosfat spiller andre roller i cellen udover det i DNA. Det viser sig tre gange i adenosintrifosfat eller ATP, som er en vital form for energilagring i celler. Mange biologiske funktioner kræver energi fra nedbrydning (eller brænding) af ATP, som ofte kaldes "molekylenheden af ​​valuta" i energioverførsel.

"Den menneskelige krop sætter sin vægt i ATP hver dag og brænder det," forklarer Pasek.

Fosfor har også en vigtig rolle hos hvirveldyr, hvis ben og tænder indeholder apatit, et stærkt stabilt fosfatmineral.

Få din vitamin P

På grund af dets afgørende rolle skal alle organismer på jorden finde en kilde til fosfor.

Mennesker og andre dyr får deres fosfor fra at spise planter (eller ved at spise dyr, der spiser planter). Planter trækker fosforforbindelser ud af jorden, men meget af dette er genanvendt materiale fra forfaldne organiske stoffer.

Planter er ikke i stand til at genbruge alt tilgængeligt fosfor i jorden, så en del af det ender med at gå ind i havet gennem afstrømning. Der kan det bruges af marine organismer, men i sidste ende aflejres fosfatet på havbunden, hvor det bliver indarbejdet i klippesedimenter.

Når fosfor er låst op i uopløselige mineraler, tager det meget lang tid at vende tilbage til en form, som planter og andre organismer kan bruge. Faktisk er fosforcyklussen en af ​​de langsomste elementcykler af biologisk betydning.

Ikke tilfreds med at vente på geologiske processer for at frigøre fosfor, mennesker bruger for øjeblikket meget arbejde minedrift "rockfosfat" og kemisk modificerer det for at gøre gødning.

Og der er gnidning for astrobiologer. De første livsformer ville ikke have haft nogen at sprøjte P-rig gødning på dem, så hvor fik de deres fosfor fra?

En anden vej

Det meste af fosforet på jordens overflade findes i en slags fosfat. Grunden til, at Pasek forklarer, er, at fosfat er den laveste energistatus for P i vores planets iltrige miljø. Men der findes også andre - mere reducerede - fosforforbindelser.

"Reduceret fosfor er mere kemisk reaktivt end fosfat," sagde Pasek. Denne ekstra reaktivitet kunne have hjulpet fosfor smutte sig ind i livets spil for milliarder af år siden.

Eksempler på reducerede phosphorforbindelser indbefatter phosphider. Disse molekyler er typisk kombinationer af fosfor og metaller, som det zinkphosphid, der findes i rottegift eller jern-nikkelfosfidet kaldet schreibersite.

Jorden indeholder meget fosfid, men det meste er i kernen, begravet under 2.000 miles af rock. På overfladen er et af de mest almindelige naturligt forekommende fosfider skreibersit, som ikke kommer fra neden, men ovenfra i form af meteoritter. [Earth Quiz: Mysteries of the Blue Marble]

"Vi kan ikke komme ud af kernemateriale fra Jorden, men vi har adgang til kernematerialet af asteroider, der er brudt adskilt for at skabe meteoritter," sagde Pasek.

Fosfider har tendens til at danne hvor ilt er knap, og metaller er rigelige. Derfor har kernerne i de fleste astronomiske legemer fosfider.Fosfider kan også dannes, når et fosfatmineral er ramt af lyn eller en kraftenergi.

Pasek og hans kolleger har studeret geologiske prøver af fosfider, og de har fundet ud af, at de fleste fosfider på jordens overflade kom fra meteoritter. Over tid har meget af dette materiale udviklet sig til fosfater. Holdet anslår, at 1 til 10 procent af de fosfater, der for tiden findes på Jorden, stammer fra meteoritter.

Slukker uret igen

Selvom fosfider og andre reducerede fosforforbindelser ikke spiller nogen væsentlig rolle i den nuværende biologi, kan de have været mere fremtrædende, da livet kæmpede for at få fodfæste på denne planet.

Ved computersimuleringer modellerer Pasek og hans kolleger P-relateret kemi på forskellige tidspunkter fra solsystemets begyndelse til de tidlige stadier af livet. De fokuserer på Jorden, men de ser også på andre steder ud over, hvor P-kemi kan have været vigtig, som kometer og månen Titan.

De har forstærket deres simuleringer med eksperimenter, hvor skreibersite og andre meteoriske mineraler tilsættes til en "primordial" af vand og organiske molekyler. Blandingerne har produceret nogle organofosforforbindelser, der ligner dem, der findes i biologi. For eksempel har forskerne fisket ud trifosfater, der tilhører samme molekylære familie som ATP.

"Vi har haft held og lykke med vores eksperimenter hidtil," sagde Pasek.

Oprindelig opskrift?

Gennem deres arbejde håber Paseks team at give fosforkemiske landskab gennem de første 2 milliarder år af jordens geologiske historie. Dette kunne hjælpe med at afdække hvornår og hvordan livet kom til at afhænge så stærkt af dette element.

"Tid og tilstand for fosforintegration i livet er et rigtig spændende puslespil," siger Nicholas Hud fra Georgia Tech.

Hud mener, at fosfor måske ikke har været en af ​​ingredienserne i livets første opskrift.

"Nukleinsyrer, proteiner og lipider bruger alle fosfor, men vi kan forestille os, at det var en senere substitution af enklere molekyler," sagde Hud.

I nukleinsyrer kunne fx phosphatets "lim" -rolle være blevet fyldt med glyoxylat, et molekyle, der stadig anvendes i livet i dag. Hud mener, at fosfor måske har startet som et spor i nogle få biologiske processer, og først senere indså livet sig i alt det potentiale, som fosfor har for livet.

"Når livet udviklede molekylære maskiner, der tillod inkorporering af fosfor, og endog" høstet "af fosfor, ville livet have flyttet til et højere niveau," sagde Hud. "Inkluderingen af ​​fosfat kunne sandsynligvis udgøre et stort evolutionært fremskridt i livet (hvis det ikke var der i begyndelsen) og derfor er yderst vigtigt for at forstå livets oprindelse og tidlige udvikling."

Denne historie blev leveret af Astrobiology Magazine, en web-baseret publikation sponsoreret af NASA's astrobiologi program.


Video Supplement: .




Forskning


Hvor Deep Impact Works
Hvor Deep Impact Works

Margaret Morse Nice
Margaret Morse Nice

Videnskab Nyheder


Tragiske Tilfælde: Teknologi Skaber En Ny Måde At Dø På
Tragiske Tilfælde: Teknologi Skaber En Ny Måde At Dø På

Hvorfor Siger Du 'Um' Før Visse Ord
Hvorfor Siger Du 'Um' Før Visse Ord

Real-Life 'Traktor Beam' Kan Leve Genstande Ved Hjælp Af Lydbølger
Real-Life 'Traktor Beam' Kan Leve Genstande Ved Hjælp Af Lydbølger

Noget Suger Jern Ud Af Jordens Skorpe, Og Forskerne Tror, ​​At De Ved Hvad
Noget Suger Jern Ud Af Jordens Skorpe, Og Forskerne Tror, ​​At De Ved Hvad

Sex Education Forsinkelser Teen Sex, Study Finds
Sex Education Forsinkelser Teen Sex, Study Finds


DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com