แม้จะมีประวัติย่อทางชีวภาพที่น่าประทับใจฟอสฟอรัสก็ค่อนข้างไม่สามารถเข้าถึงได้เมื่อองค์ประกอบไป เพื่อให้เข้าใจว่าฟอสฟอรัสได้รับบทบาทที่โดดเด่นอย่างไรนักวิทยาศาสตร์กำลังสร้างแบบจำลองสภาพแวดล้อมทางธรณีเคมียุคแรก ๆ บนโลกและในอวกาศ
องค์ประกอบที่พบบ่อยที่สุดในเซลล์ทั่วไปคือไฮโดรเจน, ออกซิเจน, คาร์บอน, ไนโตรเจน, ฟอสฟอรัสและซัลเฟอร์ ทั้งหมดนี้ยกเว้นฟอสฟอรัสอยู่ใน 10 อันดับแรกขององค์ประกอบที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดในระบบสุริยจักรวาล- ฟอสฟอรัสมาที่หมายเลข 17
“ ฟอสฟอรัสเป็นองค์ประกอบที่มีอยู่อย่างน้อยที่สุดเมื่อเทียบกับการปรากฏตัวของมันในชีววิทยา” แมทธิว Pasek จากมหาวิทยาลัยเซาท์ฟลอริดากล่าว
ความขาดแคลนฟอสฟอรัสนี้รุนแรงยิ่งขึ้นบนพื้นผิวโลกซึ่งฟอสฟอรัสส่วนใหญ่ถูกล็อคในแร่ธาตุบางชนิดว่าชีวิตมีปัญหาในการใช้งาน
ดังนั้นชีวิตขึ้นอยู่กับสิ่งนี้ได้อย่างไรองค์ประกอบที่หายาก-
Pasek กำลังมุ่งมั่นที่จะอธิบายถึงเส้นทางเคมีที่เป็นไปได้ที่ฟอสฟอรัสอาจมีให้ใช้งานได้ตลอดชีวิตบนโลกยุคแรก การวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนโดยนาซ่าโปรแกรม exobiology และชีววิทยาวิวัฒนาการ -50 ข้อเท็จจริงที่น่าทึ่งเกี่ยวกับโลก-
ไม่สามารถรับได้เพียงพอ
ฟอสฟอรัสมักจะไม่ได้รับความสนใจมากเท่ากับสารอาหารสำคัญอื่น ๆ เช่นแคลเซียมและเหล็ก แต่องค์ประกอบ P แสดงให้เห็นในโมเลกุลชีวภาพที่หลากหลายอย่างน่าประหลาดใจ
สำหรับผู้เริ่มต้นฟอสฟอรัสเป็นองค์ประกอบโครงสร้างที่สำคัญใน DNA และ RNA โมเลกุลทางพันธุกรรมทั้งสองนี้มีกระดูกสันหลังน้ำตาล-ฟอสเฟต ฟอสเฟต (PO4) ทำงานเป็น "กาวสุด" เนื่องจากมีอะตอมออกซิเจนสามอะตอมที่จะมีค่าใช้จ่ายในการแก้ปัญหา อะตอมออกซิเจนสองตัวเหล่านี้สร้างพันธะไอออนิกกับน้ำตาลสองตัวใกล้เคียงในขณะที่ออกซิเจนที่สามถูกทิ้งไว้ "ห้อย" ด้วยประจุลบที่ทำให้ DNA ทั้งหมดหรือโมเลกุล RNA มีประจุลบ ค่าใช้จ่ายโดยรวมนี้ช่วยป้องกันไม่ให้โมเลกุลลอยออกจากตำแหน่งที่ถูกสั่งจ่าย
มีโมเลกุลไม่มากนักที่สามารถดำเนินการเล่นปาหี่สามข้อนี้ได้ Arsenate เป็นความเป็นไปได้อย่างหนึ่ง เมื่อเร็ว ๆ นี้กลุ่มนักวิจัยที่อ้างว่าได้พบจุลินทรีย์ที่สามารถใช้ arsenateแทนฟอสเฟต แต่การโต้เถียงยังคงอยู่เหนือการค้นพบนี้
“ คณะลูกขุนยังคงอยู่เหนืออาร์เซเนต แต่ก็ชัดเจนว่าฟอสเฟตเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดเมื่อได้รับทางเลือก” Pasek กล่าว
ฟอสเฟตมีบทบาทอื่น ๆ ในเซลล์นอกเหนือจากนั้นใน DNA มันแสดงให้เห็นถึงสามครั้งใน adenosine triphosphate หรือ ATP ซึ่งเป็นรูปแบบที่สำคัญของการจัดเก็บพลังงานในเซลล์ ฟังก์ชั่นทางชีววิทยาหลายอย่างต้องการพลังงานจากการสลาย (หรือการเผาไหม้) ของ ATP ซึ่งมักเรียกว่า "โมเลกุลหน่วยของสกุลเงิน"ในการถ่ายโอนพลังงาน
"ร่างกายมนุษย์ทำให้น้ำหนักเป็น ATP ในแต่ละวันและเผาไหม้ "Pasek อธิบาย
ฟอสฟอรัสยังมีบทบาทสำคัญในสัตว์มีกระดูกสันหลังซึ่งกระดูกและฟันมี apatite ซึ่งเป็นแร่ฟอสเฟตที่มีความเสถียรสูง
รับวิตามินพีของคุณ
เนื่องจากบทบาทที่สำคัญของมันสิ่งมีชีวิตทั้งหมดบนโลกจะต้องพบแหล่งกำเนิดของฟอสฟอรัส-
มนุษย์และสัตว์อื่น ๆ จะได้รับฟอสฟอรัสจากการกินพืช (หรือกินสัตว์ที่กินพืช) พืชดึงสารประกอบฟอสฟอรัสออกมาจากดิน แต่สิ่งเหล่านี้เป็นวัสดุรีไซเคิลจากสารอินทรีย์ที่สลายตัว
พืชไม่สามารถรีไซเคิลฟอสฟอรัสที่มีอยู่ทั้งหมดในดินได้ดังนั้นบางส่วนก็จบลงด้วยการเข้าสู่มหาสมุทรผ่านการไหลบ่า ที่นั่นมันสามารถใช้โดยสิ่งมีชีวิตทางทะเล แต่ในที่สุดฟอสเฟตตั้งอยู่บนพื้นทะเลที่มันกลายเป็นตะกอนหิน
เมื่อฟอสฟอรัสถูกล็อคในแร่ธาตุที่ไม่ละลายน้ำมันใช้เวลานานมากในการกลับไปสู่รูปแบบที่พืชและสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ สามารถใช้ได้ อันที่จริงวัฏจักรฟอสฟอรัสเป็นหนึ่งในวัฏจักรองค์ประกอบที่ช้าที่สุดของความสำคัญทางชีวภาพ
ไม่พอใจกับการรอกระบวนการทางธรณีวิทยาเพื่อเพิ่มฟอสฟอรัสในปัจจุบันมนุษย์ใช้ความพยายามอย่างมากในการขุด "หินฟอสเฟต" และปรับเปลี่ยนทางเคมีเพื่อสร้างปุ๋ย
และมีการถูสำหรับนักโหราศาสตร์ ที่รูปแบบชีวิตแรกจะไม่มีใครโรยปุ๋ยที่อุดมด้วย P ที่อุดมด้วยพวกเขาดังนั้นพวกเขาจึงได้รับฟอสฟอรัสจากที่ไหน?
เส้นทางที่แตกต่างกัน
ฟอสฟอรัสส่วนใหญ่บนพื้นผิวโลกพบได้ในฟอสเฟตบางชนิด เหตุผลที่ Pasek อธิบายว่าฟอสเฟตเป็นสถานะพลังงานต่ำที่สุดสำหรับ P ในสภาพแวดล้อมที่อุดมด้วยออกซิเจนของดาวเคราะห์ของเรา แต่อื่น ๆ -ลดลงมากขึ้น -สารประกอบฟอสฟอรัสมีอยู่เช่นกัน
“ ฟอสฟอรัสที่ลดลงนั้นมีปฏิกิริยาทางเคมีมากกว่าฟอสเฟต” Pasek กล่าว ปฏิกิริยาพิเศษนี้อาจช่วยให้ฟอสฟอรัสแอบเข้าไปในเกมแห่งชีวิตหลายพันล้านเมื่อหลายปีก่อน
ตัวอย่างของสารประกอบฟอสฟอรัสที่ลดลงรวมถึงฟอสเฟต โมเลกุลเหล่านี้มักจะรวมกันของฟอสฟอรัสและโลหะเช่นสังกะสีฟอสฟอรัสที่พบในพิษหนูหรือฟอสฟอรัสเหล็กนิกาย-นิกเกิลที่เรียกว่า Schreibersite
โลกมีฟอสฟอรัสจำนวนมาก แต่ส่วนใหญ่อยู่ในแกนกลางฝังอยู่ใต้หิน 2,000 ไมล์ บนพื้นผิวหนึ่งในฟอสเฟตที่พบมากที่สุดที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติคือ Schreibersite ซึ่งไม่ได้มาจากด้านล่าง แต่จากด้านบนในรูปแบบของอุกกาบาต -Earth Quiz: ความลึกลับของหินอ่อนสีน้ำเงิน-
“ เราไม่สามารถนำวัสดุหลักออกมาจากโลกได้ แต่เราสามารถเข้าถึงวัสดุหลักของดาวเคราะห์น้อยที่แตกออกเพื่อสร้างอุกกาบาต” Pasek กล่าว
ฟอสฟอรัสมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นทุกที่ที่ออกซิเจนขาดแคลนและโลหะมีมากมาย ดังนั้นแกนของร่างกายดาราศาสตร์ส่วนใหญ่มีฟอสเฟต ฟอสเฟตยังสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อแร่ฟอสเฟตถูกกระแทกด้วยสายฟ้าหรือผลกระทบพลังงานสูง
Pasek และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ศึกษาตัวอย่างทางธรณีวิทยาของฟอสฟอรัสและพวกเขาพบว่าฟอสเฟตส่วนใหญ่บนพื้นผิวโลกมาจากอุกกาบาต เมื่อเวลาผ่านไปวัสดุนี้ส่วนใหญ่ได้พัฒนาเป็นฟอสเฟต ทีมคาดการณ์ว่า 1 ถึง 10 เปอร์เซ็นต์ของฟอสเฟตที่พบในโลกมาจากอุกกาบาต
หันหลังกลับนาฬิกา
แม้ว่าฟอสฟอรัสและสารประกอบฟอสฟอรัสที่ลดลงอื่น ๆ จะไม่มีส่วนสำคัญในชีววิทยาในปัจจุบัน แต่พวกเขาอาจมีความโดดเด่นมากขึ้นเนื่องจากชีวิตพยายามดิ้นรนเพื่อตั้งหลักบนโลกใบนี้
ด้วยการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ Pasek และเพื่อนร่วมงานของเขากำลังสร้างแบบจำลองเคมีที่เกี่ยวข้องกับ P ในช่วงเวลาที่แตกต่างกันตั้งแต่เริ่มต้นระบบสุริยจักรวาลจนถึงระยะแรกของชีวิต พวกเขามุ่งเน้นไปที่โลก แต่พวกเขายังมองไปที่สถานที่อื่นนอกเหนือจากที่เคมี P อาจมีความสำคัญเช่นดาวหางและดวงจันทร์ไททัน
พวกเขาได้เพิ่มการจำลองด้วยการทดลองซึ่ง Schreibersite และแร่ธาตุอุตุนิยมวิทยาอื่น ๆ จะถูกเพิ่มเข้าไปใน "ซุปดึกดำบรรพ์"ของน้ำและโมเลกุลอินทรีย์ส่วนผสมได้ผลิตสารประกอบ organo-phosphorus บางอย่างที่คล้ายกับที่พบในชีววิทยาตัวอย่างเช่นนักวิจัยได้ทำการเลี้ยง triphosphates ที่เป็นของตระกูลโมเลกุลเดียวกันกับ ATP
“ เราโชคดีกับการทดลองของเราจนถึงตอนนี้” Pasek กล่าว
สูตรต้นฉบับ?
จากการทำงานของพวกเขาทีมของ Pasek หวังที่จะจัดหาภูมิทัศน์ทางเคมีฟอสฟอรัสผ่าน 2 พันล้านปีแรกของประวัติศาสตร์ทางธรณีวิทยาของโลก สิ่งนี้สามารถช่วยค้นพบว่าชีวิตเกิดขึ้นได้อย่างไรในการพึ่งพาองค์ประกอบนี้อย่างมาก
“ เวลาและโหมดของการเข้าสู่ฟอสฟอรัสในชีวิตเป็นปริศนาที่น่าสนใจจริงๆ” นิโคลัสฮัดจากจอร์เจียเทคกล่าว
ฮัดเชื่อว่าฟอสฟอรัสอาจไม่ได้เป็นหนึ่งในส่วนผสมในสูตรแรกของชีวิต
“ กรดนิวคลีอิกโปรตีนและไขมันทั้งหมดใช้ฟอสฟอรัส แต่เราสามารถจินตนาการได้ว่ามันเป็นการทดแทนโมเลกุลที่ง่ายกว่าในภายหลัง” ฮัดกล่าว
ตัวอย่างเช่นในกรดนิวคลีอิกบทบาท "กาว" ของฟอสเฟตอาจได้รับการเติมเต็มด้วย glyoxylate โมเลกุลที่ยังคงใช้ในชีวิตในปัจจุบัน ฮัดคิดว่าฟอสฟอรัสอาจเริ่มเป็นองค์ประกอบร่องรอยในกระบวนการทางชีวภาพบางอย่างและต่อมาชีวิตก็ตระหนักถึงศักยภาพทั้งหมดที่ฟอสฟอรัสมีตลอดชีวิต
“ เมื่อชีวิตพัฒนาเครื่องจักรโมเลกุลที่อนุญาตให้มีการรวมตัวกันของฟอสฟอรัสและแม้แต่ 'การเก็บเกี่ยว' ของฟอสฟอรัสชีวิตก็จะย้ายไปอยู่ในระดับที่สูงขึ้น” ฮัดกล่าว "การรวมของฟอสเฟตน่าจะเป็นไปได้ที่สำคัญวิวัฒนาการที่สำคัญในชีวิต (ถ้ามันไม่ได้อยู่ที่นั่นในตอนแรก) ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการทำความเข้าใจต้นกำเนิดและวิวัฒนาการของชีวิตในช่วงต้น"
เรื่องนี้จัดทำโดยนิตยสาร Astrobiologyสิ่งพิมพ์บนเว็บที่ได้รับการสนับสนุนจากองค์การนาซ่าโปรแกรม Astrobiology-
