Космическая история фосфора животворящего

Космическая история фосфора животворящего

Самые часто встречающиеся элементы в обычной клетке – это водород, кислород, углерод, азот, фосфор и сера. Все они, кроме фосфора, входят в список из 10 самых часто встречающихся элементов в солнечной системе.

Фосфор идет под номером 17. «Фосфор – это наименее распространенный элемент в космических масштабах, учитывая его присутствие в биологии», — объясняет Мэтью Пазек из Университета Южной Флориды.

Скудость запасов фосфора еще больше чувствуется на поверхности Земли, где большая часть этого элемента заключена в определенных минералах, из-за чего формам жизни сложно его использовать. Так как же так получилось, что жизнь зависит от этого относительно редкого элемента?

Мэтью Пазек возглавляет исследование, финансируемое NASA, с целью просчитать возможные химические пути, по которым мог пройти фосфор, чтобы стать доступным для форм жизни на молодой Земле.

Немаловажная роль фосфора

Фосфор, как правило, не получает столько внимания, как другие важные питательные вещества, такие как кальций и железо, но элемент Р присутствует в удивительно большом количестве биологических молекул.

Во-первых, фосфор входит в число важных структурных элементов ДНК и РНК. Обе эти генетические молекулы имеют сахаро-фосфатный остов.

Фосфат (PO4) работает в качестве «супер клея», так как он имеет три атома кислорода, которые переносят заряд в растворе. Два из этих трех атомов кислорода формируют ионные связи с двумя соседними сахарами, тогда как третий атом кислорода остается свободным с отрицательным зарядом, который делает всю молекулу ДНК или РНК заряженной отрицательно.

Этот общий заряд не дает молекуле покинуть необходимое местоположение.

На такой нечестный поступок с тройным зарядом могут пойти немногие молекулы. Возьмем, к примеру, арсенат. Недавно группа ученых заявила об обнаружении микроба, способного использовать мышьяковые соединения вместо фосфатных, но исследование все еще вызывает противоречие во взглядах. «Вокруг арсената все еще ведутся дебаты, но очевидно, что фосфат – это лучший вариант, когда есть выбор», — отмечает Мэтью Пазек.

Фосфат играет и другие роли в клетках, кроме молекул ДНК. Он трижды появляется в аденозинтрифосфате, или АТФ, который жизненно важен для сохранения энергии в клетках.

Многие биологические функции требуют энергию в результате распада (или сжигания) АТФ, который часто называют «молекулярной денежной единицей» в процессах передачи энергии.

«Тело человека ежедневно набирает АТФ и сжигает его», — говорит Пазек.

Фосфор также играет важную роль в позвоночных организмах, кости и зубы которых содержат апатит – высокоустойчивый фосфатный минерал.

Витамин Р

Из-за немаловажной роли фосфора все организмы на Земле вынуждены искать источник этого элемента. Люди и другие животные получают фосфор из растений (или поедая травоядных животных).

Растения вытягивают фосфатные соединения из почвы, но в большинстве своем он входит в переработанный материал из гниющей органической материи. Растения неспособны перерабатывать весь доступный в почве фосфор, а потому некоторые его объемы попадают в океан через водостоки.

Там его могут использовать морские организмы, но в конечном итоге фосфаты оседают на дне, где становятся частью каменистых осадочных пород.

Когда фосфор заключается в нерастворимых минералах, проходит очень долгое время до момента, когда его снова могут использовать растения и другие организмы. В действительности круговорот фосфора в природе – один из самых медленных круговоротов биологически важного вещества.

Так как человечество не готово ждать, пока геологические процессы высвободят фосфор, прикладываются усилия для добычи окаменевших фосфатов и их химического преобразования для изготовления удобрений.

И вот тут-то и загвоздка для астробиологов. Первые формы жизни некому было опрыскивать богатыми фосфором удобрениями, так откуда же они его взяли?

Другой путь

Большую часть фосфора на Земле можно найти в тех или иных фосфатах. Как объясняет Пазек, причина в том, что фосфат – это наименее энергоемкое состояние для фосфора в атмосфере нашей планеты, богатой кислородом.

Но существуют и другие, более редуцированные фосфорные соединения.

«Редуцированный фосфор более химически активен, чем фосфат», — говорит Пазек. Эта дополнительная реакционная способность могла дать фосфору возможность поучаствовать в формировании жизни миллиарды лет назад.

В число редуцированных фосфорных соединений входят фосфиды. Эти молекулы являются сочетанием фосфора и металлов, таких как фосфид цинка, который входит в состав крысиного яда, или железо-никелевый фосфид под названием шрейберзид.

На Земле есть много фосфидов, но большая их часть в ядре, погребенном под 3 тысячами километров скал. На поверхности самым распространенным в природе фосфидом является шрейберзид, который появляется не из глубин, а с неба в виде метеоритов. «Мы не можем добывать материалы из ядра Земли, но у нас есть возможность получать их из сердцевины астероидов, которые распадаются и формируют метеориты», — утверждает Пазек.

Фосфиды склонны формироваться везде, где мало кислорода, но в изобилии металлов. А потому ядра большинства астрономических тел включают фосфиды.

Они также могут появляться, когда фосфатный минерал попадает под удар молнии или другое высокоэнергетическое воздействие.

Пазек и его коллеги изучали геологические образцы фосфидов и в результате обнаружили, что большая часть этих веществ на поверхности Земли появилась из метеоритов. Со временем многие эти материалы превратились в фосфаты.

Ученые считают, что от 1 до 10 процентов фосфатов, присутствующих в настоящее время на Земле, появились из метеоритов.

Повернув время вспять

Хотя фосфиды и другие редуцированные фосфорные соединения в настоящее время не играют ключевой роли в биологии, они могли быть гораздо значительнее, когда жизнь боролась за свое существование на планете. При помощи компьютерного моделирования Пазек и его коллеги разработали схемы движения фосфора в различные периоды, начиная от зарождения солнечной системы до появления первых форм жизни.

Они сосредоточились на Земле, но также включили в поиск другие места, где химия фосфора могла сыграть важную роль, такие как кометы и спутник Титан.

Ученые подкрепили модели экспериментами, в ходе которых в «первичный бульон» из воды и органических молекул добавили шрейберзид. В результате смеси сформировался ряд органо-фосфорных соединений, похожих на биологические.

Например, исследователями удалось обнаружить трифосфаты, принадлежащие к той же молекулярной группе, что и АТФ.

«До сего момента нам везло с экспериментами», — отметил Пазек.

Первоначальный рецепт?

При помощи этой работы ученые надеются сформировать химическую картину движения фосфора в течение первых 2 миллиардов лет геологической истории Земли. Это могло бы приподнять завесу тайны над тем, когда и каким образом жизнь стала настолько зависеть от этого элемента.

По мнению Николаса Хада из Технологического университета Джорджии фосфор мог не входить в число ингредиентов первого рецепта жизни: «Нуклеиновые кислоты, белки и липиды используют фосфор, но вполне можно представить, что этот элемент позднее заменил более простые молекулы».

Например, в нуклеиновых кислотах «клеящую» функцию фосфора могли выполнять глиоксилаты – молекулы, использующиеся в формах жизни и сегодня. Хад считает, что фосфор мог появиться в очень малых количествах в некоторых биологических процессах, и формы жизни лишь позже осознали весь потенциал, который несет с собой этот элемент.

«Когда жизнь разработала молекулярный аппарат, позволяющий присутствие и даже сбор фосфора, это вполне может быть признаком того, что она продвинулась на более сложный уровень, — говорит Хад. – Способность к присоединению фосфата, очевидно, представляла собой значительный шаг в эволюции (если ее не было изначально), а потому она необычайно важна для понимания зарождения жизни и начала эволюционных процессов».

Галилео. Эксперимент. Воспламенение фосфора


Вы прочитали статью, но не прочитали журнал…

Читайте также: