Космічна історія фосфору життєдайного

Космічна історія фосфору життєдайного

В живій клітині найчастіше зустрічаються такі елементи як водень, кисень, вуглець, азот, фосфор і сірка. Майже всі вони входять до списку із десяти найбільш розповсюджених у сонячній системі елементів. Тільки фосфор в цьому «рейтингу» займає не дуже почесну 17-ту позицію. Мізерність запасів цього елементу ще краще відчувається на поверхні Землі, де більша частина фосфору знаходиться в мінералах, через що формам життя складно його використовувати. Так як же так вийшло, що життя залежить від такого відносно рідкісного елемента? Метью Пазек з Університету Південної Флориди намагається прорахувати хімічні шляхи, якими міг пройти фосфор, щоб стати доступним формам життя на молодій Землі.

Важлива роль фосфору

Фосфор, як правило, не отримує стільки уваги, як інші важливі елементи, такі як кальцій чи залізо, але він присутній в на диво великій кількості біологічних молекул.

По-перше, фосфор входить до числа важливих структурних елементів ДНК і РНК. Ці генетичні молекули мають цукрово-фосфатний «кістяк». Фосфат (PO4) працює в якості «суперклею» – він має три атоми кисню, які переносять заряд в розчині. Два з них формують іонні зв'язки з двома сусідніми цукрами, тоді як третій залишається вільним з негативним зарядом, що робить всю молекулу ДНК або РНК негативно зарядженою. Цей сумарний заряд не дає молекулі залишити потрібне місце розташування.

На такі хитрощі з потрійним зарядом може піти небагато сполук. Візьмемо, наприклад, арсенат. Нещодавно група вчених заявила про виявлення мікроба, здатного використовувати сполуки на основі миш’яку замість фосфатних, але дослідження все ще викликає протиріччя у поглядах. «Навколо арсенату все ще ведуться дебати, але очевидно, що фосфат – кращий варіант, коли є вибір», – зазначає Метью Пазек.

Фосфат грає і інші ролі в клітинах. Він тричі з'являється в аденозинтрифосфаті, або АТФ, який є життєво важливим для збереження енергії в клітинах. Багато біологічних функцій використовують енергію розпаду (або спалювання) АТФ, який часто називають «молекулярною грошовою одиницею» в процесах передачі енергії. «Тіло людини щодня набирає АТФ і спалює його», – говорить Пазек.

Фосфор також відіграє важливу роль в житті хребетних організмів, кістки і зуби яких містять апатит – високостійкий фосфатний мінерал.

Вітамін Р

За гострої необхідності фосфору всі організми на Землі змушені шукати джерело цього елемента. Люди та інші тварини отримують фосфор з рослин (або поїдаючи травоїдних тварин). Рослини отримують фосфатні сполуки з ґрунту, але в більшості своїй він входить в перероблений матеріал з гниючої органічної матерії. Рослини нездатні переробляти весь доступний в ґрунті фосфор, а тому деякі його обсяги потрапляють в океан через водостоки. Там його можуть використовувати морські організми, але врешті-решт фосфати осідають на дні, де стають частиною кам'янистих осадових порід.

Коли фосфор міститься в нерозчинних мінералах, проходить дуже довгий час до моменту, коли його знову можуть використовувати рослини і інші організми. В дійсності круговорот фосфору в природі – один із найбільш повільних кругообігів біологічно важливих речовин. Оскільки людство не готове чекати, поки геологічні процеси вивільнять фосфор, прикладаються зусилля для видобутку скам'янілих фосфатів і їх хімічного перетворення для виготовлення добрив.

І ось тут-то й заковика для астробіологів. Перші форми життя нікому було обприскувати багатими фосфором добривами, так звідки ж вони його взяли?

Інший шлях

Більшу частину фосфору на Землі можна знайти в тих чи інших фосфатах. Як пояснює Пазек, причина в тому, що фосфат – найменш енергоємний стан для фосфору в атмосфері нашої планети, багатої киснем. Але існують і інші, більш редуковані фосфорні сполуки.

«Редукований фосфор більш хімічно активний, ніж фосфат», – говорить Пазек. Ця додаткова реакційна спроможність могла дати фосфору можливість взяти участь у формуванні життя мільярди років тому.

В число редукованих фосфорних сполук входять фосфіди. Ці молекули являються поєднанням фосфору і металів, наприклад, фосфід цинку, який входить до складу щурячої отрути, або залізо-нікелевий фосфід під назвою шрейберзід.

На Землі є багато фосфідів, але більша їх частина знаходиться в ядрі, захованому під 3 тисячами кілометрів скель. На поверхні найпоширенішим в природі фосфідом являється шрейберзід, який з'являється не з глибин, а з неба у вигляді метеоритів. «Ми не можемо видобувати матеріали з ядра Землі, але у нас є можливість отримувати їх з серцевини астероїдів, які розпадаються і формують метеорити», – стверджує Пазек.

Фосфіди схильні формуватись скрізь, де мало кисню, але багато металів. А тому ядра більшості астрономічних тіл включають фосфіди. Вони також можуть з'являтись, коли фосфатний мінерал потрапляє під удар блискавки або інший високоенергетичний вплив.

Пазек і його колеги вивчали геологічні зразки фосфідів і в результаті виявили, що велика частина цих речовин на поверхні Землі з'явилась з метеоритів. З часом багато цих матеріалів перетворилось на фосфати. Вчені вважають, що від 1 до 10 відсотків фосфатів, присутніх в даний час на Землі, з'явилось з метеоритів.

Повернувши час назад

Хоча фосфіди та інші редуковані фосфорні сполуки не грають сьогодні ключової ролі в біології, вони могли бути набагато більш значимими, коли життя боролось за своє існування на планеті. За допомогою комп'ютерного моделювання Пазек і його колеги розробили схеми руху фосфору в різні періоди, починаючи від зародження сонячної системи до появи перших форм життя. Вони зосередились на Землі, але також включили в пошук інші місця, де хімія фосфору могла зіграти важливу роль, такі як комети і супутник Титан.

Вчені підкріпили моделі експериментами, в ході яких в «первинний бульйон» з води і органічних молекул додали шрейберзід. В результаті змішування сформувався ряд органо-фосфорних сполук, схожих на біологічні. Наприклад, дослідникам вдалось виявити трифосфати, які належать до тієї ж молекулярної групи, що й АТФ.

«До цього моменту нам щастило з експериментами», – зазначив Пазек.

Первісний рецепт?

За допомогою цієї роботи вчені сподіваються сформувати хімічну картину руху фосфору протягом перших 2 мільярдів років геологічної історії Землі. Це могло б підняти завісу таємниці над тим, коли і яким чином життя стало настільки залежати від цього елемента.

На думку Ніколаса Хада з Технологічного університету Джорджії фосфор міг не входити в число інгредієнтів первісного рецепту життя: «Нуклеїнові кислоти, білки і ліпіди використовують фосфор, але цілком можна уявити, що цей елемент пізніше замінив більш прості молекули».

Наприклад, в нуклеїнових кислотах «клейку» функцію фосфору могли виконувати гліоксілати – молекули, які використовуються у формах життя і сьогодні. Хад вважає, що фосфор міг з'явитись в дуже малих кількостях в деяких біологічних процесах, і форми життя лише пізніше усвідомили весь потенціал, який несе з собою цей елемент.

«Коли життя розробило молекулярний апарат, який дозволяє присутність і навіть збір фосфору, це цілком може бути ознакою того, що воно просунулось на більш складний рівень, – говорить Хад. – Здатність до приєднання фосфату, очевидно, явила собою значний крок в еволюції (якщо її не було спочатку), а тому вона надзвичайно важлива для розуміння зародження життя і початку еволюційних процесів».

 

Коментарі

Ввійдіть або зареєструйтесь, щоб залишати коментарі.
Читайте також

Від зелених технологій та відродження тропічних лісів до соціальних змін, антропоцен — не обов'язково квиток в один кінець до екологічної катастрофи, стверджують три нові книги.

X

Вхід

Завантажую...