Fosforsyklusen: årsak eller virkning?
Av David Coppedge, 2. juni 2023. Oversatt herfra.

"Livet ville være umulig uten fosfor," begynner et innlegg i Nature -lenke.

Til stede i molekyler fra DNA til membranlipider til forbindelsene som skyttelenergi i celler, fungerer det som et essensielt næringsstoff ved siden av nitrogen. Fosfor beveger seg gjennom miljøet i kraftige biogeokjemiske sykluser, noe som gjenspeiler dens kjemiske reaktivitet og intense konkurranse fra sultne organismer.

Bilde 1. Jordkloden

Hvordan begynte denne biokjemiske syklusen? Forskere ved University of Cambridge er forvirret om "Hvordan liv og geologi jobbet sammen for å smi jordens næringsrike skorpe." I analysen ser de at elementet fosfor ser ut til å ha økt i skorpen omtrent samtidig som den kambriske eksplosjonen. Var den ene årsaken eller effekten av den andre? Det virket ikke tilfeldig.
-For rundt 500 millioner år siden er livet i havene raskt diversifisert. I et øyeblikk, det minste i geologiske termer, forvandlet livet seg fra enkle, myke livlige skapninger til komplekse flercellede organismer med skjell og skjeletter.

-Nå har forskning ledet av University of Cambridge vist at diversifisering av livet på dette tidspunktet også førte til en drastisk endring i kjemien til jordens skorpe det øverste laget vi går på og avgjørende laget som gir mange av næringsstoffene essensielle for livet.
De gjentar, som vi har diskutert før, at fosfor (P) er en begrensende faktor for biologisk produktivitet. I motsetning til de andre mest tallrike vitale elementene (C, H, O, N, S), må P trekkes ut fra bergarter ved kjemisk forvitring ikke i sin rene form, som er eksplosiv, men som PO4 3- (fosfat). Mikrober og planter kan bruke uorganisk fosfat (Pi). Da kan andre organismer bruke fosfatholdige molekyler laget av dem (organisk fosfat, eller PO).

En biogeokjemisk syklus trigget det

Bilde 2. Biokjemiske-sykluser

Craig Walton fra Cambridge påpeker at når livet ble rikelig i havene, kunne et fosforgjenvinningsprogram begynne.
-Når disse organismer dør, blir det meste av fosforet tilbake i havene. Denne effektive gjenvinningsprosessen er en nøkkelkontroll på total mengde fosfor i havet, som igjen støtter livet, "Det gjør oss i stand til å ha alt det livet vi ser rundt oss i dag, så å forstå når denne prosessen startet er virkelig nøkkelen", sa sa Walton.
Oksygenteorien -lenke for den kambriske eksplosjonen spiller inn i modellen hans, selv om han ikke eksplisitt sier at han mener oksygen forårsaket den plutselige økningen i dyrelivet.

Han påpeker bare den interessante korrelasjonen.
-Men all denne biologiske opparbeidelse av kraften er avhengig av oksygen. Dette er det som fremmer bakteriene som er ansvarlige for at sammenbruddet av dødt organisk materiale returnerer fosfor tilbake i havene.

-Forskerne tror at en økning i oksygen rundt den kambriske eksplosjonen kan forklare hvorfor fosfor økte i bergarter. Hvis oksygen økte på det tidspunktet, kan mer oksygen ha vært tilgjengelig for å bryte ned dyp havbiomasse og resirkulere fosfor til grunne kystregioner, sa Walton. Å flytte denne fosforen tilbake mot landet betydde at den var bedre bevart i bergarter som utgjør kontinentene. Den serien med endringer var til slutt ansvarlig for å gi drivstoff til aktiviteten til komplekst liv, slik vi kjenner det, sa Walton.
Oksygen er derfor en tredje essensiell komponent i fosforsyklusen.

-Det er vanskelig å avdekke hendelsesforløpet - enten komplekst liv utviklet seg delvis på grunn av økte forsyninger med oksygen og fosfor til å begynne med, eller om de faktisk var fullt ansvarlige for å øke tilgjengeligheten av begge deler, er fremdeles et kontroversielt tema. Walton og teamet ønsker nå å undersøke utløseren for og tidspunktet for denne fosforberikelsen i jordskorpen mer detaljert.
Oppsummert er det et bemerkelsesverdig samspill av biologi med to abiotiske elementer, oksygen og fosfor, som opprettholder livet på planeten vår. Cambridge -forskerne klarte ikke å avgjøre hvem som kom først, hvordan syklusen ble utløst, og hvordan ting holdt seg i balanse når syklusen ble startet.

Fosfatbalanse og styring
Organismer har bemerkelsesverdige mekanismer for å håndtere fosfatbegrensning, som nevnt her. Nature -redaksjonen beskylder mennesket for å ha ødelagt syklusen ved å benytte fosfor som gjødsel, som ofte dreneres i havene og forårsaker giftige algeblomster.
Den moderne fosforsyklusen har blitt dypt blandet med mennesker for å overvinne fosforbegrensning. Halvparten av fosforet som er tilgjengelig for avlinger i jordbruksjord kan komme fra gjødselpåføring. Gjødsel er en begrenset ressurs som ofte er avledet fra gamle bergarter, sammensatt av detritus som er avsatt under marine oppblandingssoner, og dens uttømming vil til slutt føre til problemer for landbruk og andre organismer som er avhengige av den.

Bilde 3. Glucose-fosfat -rett kode for rett form og funksjon

I mars inneholdt Science Magazine -lenke Dan Egan's bok om Phosphorus, The Devil's Element and A World Out of Balance, "hyggelig, livlig og tankevekkende lesning" ifølge anmelder Robert W. Haworth, en ekspert på fosfor og miljøet. Klok styring av dette kritiske elementet vil være essensielt, ettersom fosfatavrenning kan forurense vannveier og tømme jordsmonn hvis de håndteres uforsiktig. Likevel er den automatiske gjenvinningen gjennom skorpen og biosfæren ikke nevnt i gjennomgangen. Hvis verden er "ute av balanse" nå på grunn av menneskelige aktiviteter, hvordan kom den i balanse i utgangspunktet?
En kommentar fra Senjie Lin i Nature Communications -lenke utforsker kompleksitetene i biologiske responser på fosforbegrensning, inkludert interaksjoner med forsuring av havet, klima og nitrogenfiksering. Lin etterlater flere spørsmål enn svar, men bemerker at planteplankton varierer i sine tilsvar på pH, så mye mer forskning er nødvendig.

Just-i-tide levering

Et spesielt interessant funn om fosfor, kommer fra forskning på fruktfluer. Et nytt organell ble funnet i tarmcellene i fluene, som buffer fosfat for å opprettholde homeostase. Denne "tidligere ukjente" organellen "er beskrevet av Gemma Conroy i Nature -lenke, og fungerer som et reservoar av fosfat, og hjelper til med å regulere nivåene av næringsstoffene i celler, og utløse prosesser som opprettholder vev når det er mangelvare."

Conroy forteller hvordan Charles Xu fra Rockefeller University la merke til noen ovalformede strukturer omgitt av flere membraner som ble krysset av et fosfat-sensende transporterprotein som heter PXO:
"Disse var ganske synlige, og vi lurte på hva de var," sier Xu. Da forskerne så nærmere på de mystiske strukturene, så de at de hadde flere membranlag, og PXO -proteinet transporterte fosfat over dem. Når de var inne i de ukjente organellene, ble fosfat omdannet til fosfolipider, de viktigste byggesteinene til cellulære membraner.
Da flycellene ble fratatt fosfat, brøt organellene fra hverandre og frigjorde de lagrede fosfolipidene i hver celle, noe som indikerer at de fungerer som reservoarer, sier Xu.
Teamets artikkel i Nature viser mikrofotografer av disse "PXO -kroppene" og beskriver hvordan de lagrer og frigjør uorganisk fosfat (Pi).
I encellede organismer er Pi en indikasjon på miljømessig næringsforekomst og støtter generelt cellevekst og inndeling. Hos metazoer (flercellede dyr) -lenke, påvirkes imidlertid Pi -tilgjengeligheten av næringsopptak, systemisk metabolisme og lokal Pi -bruk, og impliserer dermed mer kompleks Pi -signalering.

Bilde 4. Fosfatatomet -oppbygning

I denne studien demonstrerte vi at Pi-sult eller Pi-mangel induserer hyperproliferasjon og enterocytt-differensiering i epitelet til Drosophila Midgut, som kan være en kompensasjonsmekanisme for å produsere mer enterocytter som er i stand til Pi-absorpsjon. Gitt mangel på kunnskap om cytosolisk Pi -regulering i dyreceller, kan funnene våre ha brede implikasjoner og åpne nye veier for å studere Pi -metabolisme og signalering.
Systemet for akkurat i tide levering av fosfater fra et reservoar utstyrt med en sensor minner om historien vår om måten celler bufrer og leverer heme -lenke.

Tilfeldigheter kontra intensjoner

Cambridge -artikkelen sier at liv og geologi jobbet sammen for å smi jordas næringsrike skorpe. Fra et materialistisk perspektiv utgjør det en feil om personifisering. Bevisstløse enheter jobber ikke sammen for å danne noe lik en kambrisk dyrekroppsplan eller en celleorganell, med en sensor som kan bufre fosfat for levering i tide.
Forskere er generelt på vakt mot forklaringer som er avhengige av heldige tilfeldigheter. I fosfor -syklusen blir biologi og geologi sett samarbeide om timing, triggere, balanse og homeostase av essensielle deler, for en fungerende biosfære. Dette er begreper rike på hensikt. Om en fungerende biosfære var tiltenkt, så ville disse realitetene gi mening.

Bilde 5. Oversenstemmelse mellom grunnsyn og virkelighet

Oversettelse via (motvillig) google-oversetter ved Asbjørn E. Lund