Die kosmische Geschichte der Leben spendenden Phosphor
Trotz seiner beeindruckenden biologischen Lebenslauf ist Phosphor relativ unzugänglich, da Elemente gehen. Um zu verstehen wie Phosphor seine herausragende Rolle erhalten, sind Wissenschaftler die frühe geochemische Umgebung auf der Erde und im Weltraum Modellierung.
Die häufigsten Elemente in einer typischen Zelle sind Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel. All dies, mit Ausnahme von Phosphor, sind in den Top 10 der am häufigsten vorkommenden Elemente im Sonnensystem. Phosphor ist in Nummer 17.
"Phosphor ist das zuletzt vorkommende Element kosmisch bezogen auf seine Präsenz in der Biologie", sagte Matthew Pasek von der University of South Florida.
Dieser Mangel an Phosphor ist noch akut auf der Erdoberfläche, wo ein Großteil der Phosphor an bestimmten Mineralien eingesperrt ist, die das Leben schwer zu nutzen.
Wie kam Leben auf diesem relativ seltenes Element angewiesen?
Pasek steuert zu dem Bemühen, die mögliche chemische Wege erklären, die Phosphor für Leben auf der frühen Erde zur Verfügung hätte. Diese Forschung wird von der NASA unterstützt Exobiologie und Evolutionsbiologie Programm. [50 erstaunliche Tatsachen über die Erde]
Kann nicht genug bekommen
Phosphor geht in der Regel nicht so viel Aufmerksamkeit wie andere essentielle Nährstoffe wie Kalzium und Eisen, aber das P-Element sich in überraschend vielfältige biologische Moleküle zeigt.
Für den Anfang ist Phosphor ein wichtiges Strukturelement in DNA und RNA. Beide dieser genetischen Moleküle haben eine Zucker-Phosphat-Rückgrat. Das Phosphat (PO4) arbeitet als eine Art "Superkleber", da hat es drei Sauerstoffatome, die Gebühren in Lösung tragen wird. Zwei von diesen Sauerstoff Atome Form ionische Bindungen mit zwei benachbarten Zucker, während der dritte Sauerstoff mit einer negativen Ladung "baumeln" überlassen wird, die sich negativ auf die gesamte DNA oder RNA-Molekül macht in Rechnung gestellt. Diese allgemeine Ladung hilft um zu verhindern, dass das Molekül aus seiner verbotenen Lage driften.
Nicht viele Moleküle könnten diese drei kostenlose Balanceakt durchführen. Arsenat ist eine Möglichkeit. Vor kurzem, eine Gruppe von Forschern behauptet eine Mikrobe gefunden zu haben, die Arsenat anstelle von Phosphat verwenden könnte, aber Kontroverse über diese vermeintliche Entdeckung bleibt.
"Das Urteil steht noch aus über Arsenat, aber es ist klar, dass Phosphat die beste Option ist, wenn eine Wahl gegeben" sagte Pasek.
Phosphat spielt andere Rollen in der Zelle neben, die in der DNA. Es zeigt sich dreimal in Adenosintriphosphat oder ATP, das ist eine wichtige Form der Speicherung von Energie in den Zellen. Viele biologische Funktionen erfordern die Energie aus dem Abbau (oder brennen) von ATP, die oft die "molekulare Einheit der Währung" in Energieübertragung genannt wird.
"Der menschliche Körper macht sein Gewicht in ATP pro Tag und es brennt", erklärt Pasek.
Phosphor hat auch eine wichtige Rolle bei Wirbeltieren, deren Knochen und Zähne Apatit, ein sehr stabiles Phosphat Mineral enthalten.
Immer Ihre Vitamin P
Wegen seine wichtige Rolle müssen alle Organismen auf der Erde eine Quelle des Phosphors finden.
Menschen und andere Tiere bekommen ihre Phosphor durch den Verzehr von Pflanzen (oder durch den Verzehr von Tieren, die Pflanzen fressen). Pflanzen herausziehen Phosphorverbindungen aus dem Boden, aber vieles davon ist Recyclingmaterial aus verwesenden organischen Stoffen.
Pflanzen nicht in der Lage, alle verfügbaren Phosphor im Boden, zu recyceln, so einiges davon ins Meer durch Abfluss landet. Dort kann es von marinen Organismen verwendet werden, aber schließlich das Phosphat siedelt sich auf dem Meeresboden wo es eingebaut wird Rock Sedimente.
Sobald die Phosphor in unlösliche Mineralien gesperrt ist, dauert es sehr lange dafür, um ein Formular zurückzukehren, die Pflanzen und anderen Organismen verwenden können. In der Tat ist der Phosphorkreislauf eines der langsamsten Stoffkreisläufe der biologischen Bedeutung.
Nicht zufrieden mit dem geologischen Prozessen Phosphor frei zu warten, verbringen Menschen derzeit eine Menge Aufwand Bergbau "Rohphosphat" und chemisch zu verändern, um Dünger zu machen.
Und hier liegt das Problem für Astrobiologen. Die ersten Lebensformen würde nicht habe hatte jemand zu P-reiche Dünger streuen, wo haben sie ihre Phosphor aus bekommen?
Einen anderen Weg
Die meisten der Phosphor auf der Erdoberfläche findet sich in irgendeine Art von Phosphat. Der Grund Pasek erklärt, ist, dass Phosphat der niedrigste Energiezustand für P in sauerstoffreichen Umgebung unseres Planeten. Aber andere – reduzierten--Phosphorverbindungen vorhanden sowie.
"Weniger Phosphor als Phosphat chemisch reaktive", sagte Pasek. Diese zusätzliche Reaktivität kann Phosphor schleichen sich seinen Weg in das Spiel des Lebens Milliarden von Jahren geholfen haben.
Beispiele für reduzierten Phosphorverbindungen Metallzentren. Diese Moleküle sind in der Regel Kombinationen von Phosphor und Metalle, wie die Zink-Phosphid gefunden in Ratten vergiften oder der Eisen-Nickel-Phosphid genannt Schreibersite.
Die Erde enthält eine Menge von Phosphid, aber das meiste davon ist im Kern, unter 2.000 Meilen von Felsen begraben. Auf der Oberfläche ist eines der am weitesten verbreiteten, natürlich vorkommenden Metallzentren Schreibersite, die kommen nicht von unten sondern von oben in Form von Meteoriten. [Erde Quiz: Mysteries of the Blue Marble]
"Wir können nicht raus Kernmaterial von der Erde, aber wir haben Zugriff auf das Kernmaterial von Asteroiden, die Meteoriten, erstellen auseinander gebrochen haben", sagte Pasek.
Metallzentren tendenziell Form, wo Sauerstoff knapp ist und Metalle reichlich vorhanden sind. Daher haben die Kerne der meisten astronomische Körper Metallzentren. Metallzentren können auch bilden, wenn eine Phosphat Mineral durch Blitzeinschlag oder eine energiereiche Wirkung getroffen wird.
Pasek und seine Kollegen untersuchten geologische Proben von Metallzentren, und sie haben festgestellt, dass die meisten der Metallzentren auf der Erdoberfläche aus Meteoriten kamen. Im Laufe der Zeit entwickelte sich ein Großteil dieses Materials zu Phosphate. Das Team schätzt, dass 1 bis 10 Prozent der die Phosphate, die derzeit auf der Erde gefunden von Meteoriten stammt.
Die Uhr zurückzudrehen
Obwohl Metallzentren und anderen reduzierten Phosphorverbindungen aktuelle Biologie keine wichtige Rolle spielen, können sie wurden mehr im Vordergrund als Leben kämpfen um einen Platz auf diesem Planeten zu machen.
Mit Hilfe von Computersimulationen modellieren Pasek und seine Kollegen in verschiedenen Zeiträumen von Anfang des Sonnensystems bis zu den frühen Stadien des Lebens P-bezogene Chemie. Sie konzentrieren sich auf die Erde, aber sie suchen auch an anderen Orten außer wo P Chemie wichtig, wie Kometen und dem Mond Titan gewesen sein mag.
Sie haben ihre Simulationen mit Experimenten, ergänzt, in denen Schreibersite und anderen kometenhaften Mineralien zu einer "Ursuppe" von Wasser und organischen Molekülen hinzugefügt werden. Die Mischungen haben einige Organo-Phosphor-Verbindungen hergestellt, die ähnlich wie in der Biologie gefunden werden. Zum Beispiel haben die Forscher aus Triphosphate gefischt, die gehören zur gleichen Familie der molekularen als ATP.
"Wir viel Glück mit unseren Experimenten bisher gehabt haben," sagte Pasek.
Original-Rezept?
Pasek Team will durch ihre Arbeit die Phosphor chemische Landschaft durch die ersten 2 Milliarden Jahre der Erdgeschichte geologische bieten. Dies könnte helfen, entdecken Sie wann und wie Leben kam so stark von diesem Element abhängig.
"Die Zeit und Art der Phosphor-Eintrag ins Leben ist ein wirklich faszinierendes Rätsel", sagt Nicholas Hud aus Georgia Tech.
HUD glaubt, dass Phosphor nicht eine der Zutaten in das Leben erste Rezept gewesen sein.
"Nukleinsäuren, Proteinen und Lipiden verwenden Phosphor, aber wir können uns vorstellen, das sei eine spätere Substitution von einfacher Moleküle" Hud sagte.
In Nukleinsäuren beispielsweise hätte die "Klebstoff" Rolle des Phosphat durch Glyoxylate, ein Molekül, das noch heute im Leben verwendet besetzt werden können. HUD denkt Phosphor könnte als Spurenelement in einigen biologischen Prozessen gestartet haben und erst später wusste Leben das Potenzial, das Phosphor fürs Leben hat.
"Einmal Leben der molekulare Maschinerie, die Aufnahme von Phosphor, und auch die entwickelt"Ernte"von Phosphor erlaubt, Leben auf eine höhere Ebene verschoben haben würde," sagte Hud. "Die Aufnahme von Phosphat wahrscheinlich vertreten einen großen evolutionären Fortschritt im Leben (wenn es nicht ganz zu Beginn gab) und ist daher extrem wichtig für das Verständnis der Ursprung und die frühe Evolution des Lebens."
Diese Geschichte wurde von Astrobiology Magazine, eine Web-basierte Publikation, gesponsert von der NASA Astrobiology Programm bereitgestellt.