Het trieste lot van oude zeevaarders met goede ballistiek

In de Cambrische periode, 500 miljoen jaar geleden, werden de zeeën gedomineerd door de gepantserde groep. Zachte dieren scheiden metalen pasta-lichamen af ​​die uitharden tot beschermende schelpen van immense kracht en decoratieve schoonheid, sommige in de vorm van rammenkoppen of adelaarsvleugels, andere als champagnefluiten bezaaid met dolkscherpe stekels.

Maar in het Devoon, ongeveer 70 miljoen jaar later, waren de meeste langbenige theropoden, briopoden, goed gepelde zeelieden, slachtoffers van diefstal en hun dure manieren uitgestorven.

als onderzoekers Onlangs voorgesteld In het tijdschrift Trends in Ecology and Evolution illustreert de ineenstorting van het Brachiopodenrijk het conflict dat het leven vanaf het begin definieerde: de zoektocht naar fosfor. Wetenschappers weten al lang dat het element fosfor op verschillende fronten essentieel is, en hier bindt het het DNA-molecuul samen, waardoor elke beweging van de cel wordt aangedreven. Het nieuwe rapport onderstreept een andere manier waarop fosfaat – de chemisch bruikbare vorm van fosfor – het verloop van de evolutie heeft gevormd als de scheidsrechter van de harde delen van de natuur, haar schelpen, tanden en botten.

“De fosfor is gestolen door gewervelde dieren en beenvissen”, zegt Peter Kraft, een paleontoloog aan de Charles University in Tsjechië en auteur van het nieuwe rapport. “Toen dat eenmaal gebeurde, diversifieerden ze snel en namen het over.” Dr. Samenwerking Kraft met Michel Mergel van de Universiteit van West-Bohemen.

Het onderzoek maakt deel uit van de Renaissance of Phosphate Studies, een project dat zich uitstrekt over disciplines en tijdschema’s. Chemici onderzoeken hoe fosfaten de prebiotische bouillon op smaak brachten die in de eerste plaats tot leven leidde, terwijl materiaalwetenschappers met het element spelen om verrassende nieuwe kleuren en vormen te creëren.

“Als je fosfor onder verschillende omstandigheden opwarmt, gebeuren er verschillende temperaturen, verschillende drukken en rare dingen”, zegt Andrea Sella, hoogleraar anorganische chemie aan het University College London. “Je krijgt rode vezelvormen, zwarte metalen vormen en paarse vormen.” Je kunt ook lagen fosforatomen op elkaar stapelen en ze vervolgens scheiden in zeer dunne, flexibele vellen die fosforeen worden genoemd, allemaal met als doel de stroom van elektronen en lichte deeltjes waarop de technologie vertrouwt te regelen. “We hebben nog maar net de oppervlakte bekrast van wat dit element kan doen”, zei Dr. Silla.

Fosfor werd aan het einde van de 17e eeuw ontdekt door een Hamburgse chemicus, Henning Brand, die het per ongeluk isoleerde terwijl hij op zoek was naar een “steen der wijzen” die gewone metalen in goud zou veranderen. Door te experimenteren met ladingen van de gouden vloeistof die hij het beste kent – menselijke urine – kreeg het merk een vreemde substantie die geen Midas-aanraking had, maar gloeide in het donker, waardoor Brand het fosfor noemde, de Griekse naam voor ‘licht brengen’.

Deze pure vorm van het element, witte fosfor genaamd, bleek giftig en ontvlambaar te zijn en werd daarom in de oorlog gebruikt om de tracerkogels, rookgordijnen en geallieerde brandbommen te maken die Brands geboorteplaats tijdens de Tweede Wereldoorlog verwoestten.

WP verwierf ook grimmige Dickensiaanse bekendheid in de 19e eeuw, toen het werd toegevoegd aan de punten van lucifers om “overal slaan”-wedstrijden te produceren. Meisjes en vrouwen die zwoegden in slecht geventileerde fabrieken die het zeer populaire product produceerden, werden soms blootgesteld aan zoveel fosfordamp dat ze een “dunne kaak” ontwikkelden, een verschrikkelijke toestand waarin hun tandvlees terugtrok, hun tanden uitvielen en de botten in hun kaken loslieten . Volgens historica Louise Rowe heeft de strijd van koppelaars voor veiligere arbeidsomstandigheden de moderne vakbondsbeweging gestimuleerd.

Zuivere fosfor bestaat niet in de natuur, maar is gebonden aan zuurstof, zoals fosfaten, en deze moleculaire vakbond, de fosfor-zuurstofbinding, “is fundamenteel voor waarom biologie werkt”, Matthew Bower, een organisch chemicus aan het University College London, gezegd. Het lichaam slaat energie op en verbrandt door het maken en verbreken van de fosfaatbindingen die worden aangetroffen in de kleine monetaire machinerie van de cel, de moleculen van adenosinetrifosfaat, bekend als ATP. Het fosfaatrecyclingproces is meedogenloos, zei Dr. Bowner, “het zet je lichaamsgewicht in wezen elke dag om in ATP.”

Fosfaat combineert met suiker om de ruggengraat van DNA te vormen, waar het een betekenisvolle rangschikking van letters van genetische informatie bevat die anders in de alfabetsoep zouden instorten. Fosfaten werken samen met lipidemoleculen om elke cel in te kapselen met een waakzaam membraan dat altijd bepaalt wat erin gaat en wat te vermijden. Eiwitten sturen berichten naar elkaar door fosfaatpakketten uit te wisselen.

Achter het verbazingwekkende voordeel van fosfaten, voorkomt een negatieve lading ongewenste lekkage. “Je kunt alleen de kracht erin zetten en het eruit laten wanneer je wilt”, zei Dr. Bowner. “Het zal niet in het milieu sijpelen.” Daarentegen, zei hij, lost het equivalente op koolstof gebaseerde molecuul, een carbonaat genaamd, gemakkelijk op in water: “Als je DNA combineert met koolstoffen in plaats van fosfaten, zal het allemaal desintegreren.” Dr. Bowner grapte dat we het leven moeten beschouwen op basis van fosfaten in plaats van koolstof.

In tegenstelling tot de andere belangrijke componenten van het leven – koolstof, stikstof, zuurstof en waterstof – hebben fosfaatmoleculen echter geen gasfase. “Het is te groot om te vliegen”, zei dr. Silla. Fosfaten springen in het spel van het leven door erosie van rotsen, ontbinding van organismen of uitwerpselen zoals urine of guano. Het begrijpen van het effect van fosfaatfluxen in de tijd is een belangrijke onderzoeksinspanning.

Een slepende puzzel is hoe het vroege leven begon met fosfaat. Gezien het belang van fosfaat voor elk aspect van de biologie, moet de primitieve waterige omgeving waarin de eerste cellen ontstonden, rijk aan fosfaat zijn geweest. “De meeste natuurlijke wateren op aarde zijn tegenwoordig echter erg karig in termen van fosfaten”, zegt Nicholas Tosca, een geochemicus aan de Universiteit van Cambridge. “We verwachtten dat hetzelfde al vroeg zou gelden op planeet Aarde.” Hij legde uit dat hij geloofde dat ijzer werkt om fosfaten te isoleren.

Dr. Tosca en collega’s van Cambridge gingen in op het probleem van de oorsprong van het leven In een recent gepubliceerd onderzoek in Nature Communications,. De onderzoekers besloten de veronderstelling te heroverwegen en vroegen zich af: hoe zat het met vroeger, toen er veel minder zuurstof in de buurt was? Ze wisten dat zuurstof ijzer omzet in een vorm die fosfaat sterk stapelt. Wat zou er gebeuren als zuurstof uit de vergelijking zou worden verwijderd? De onderzoekers creëerden kunstmatig zeewater in een grote, zuurstofvrije handschoenenkast en ontdekten dat opgelost ijzer, zeker onder deze omstandigheden, het grootste deel van het fosfaat met rust liet, vermoedelijk beschikbaar voor alle protocellen in de buurt.

In het artikel Trends in Ecology and Evolution suggereerde Dr. Kraft op dezelfde manier dat de Cambrische zeeën relatief fosfaatrijk waren. Dieren kunnen zelfs zoveel absorberen dat ze dikke, duurzame schelpen kunnen maken, zoals het hardste weefsel in het menselijk lichaam – het fosfaatglazuur van onze tanden.

“Het is een enorm voordeel om deze schelpen te hebben,” zei Dr. Kraft. Ter vergelijking: de schaal van moderne weekdieren, gemaakt van calciumcarbonaat, barst gemakkelijk onder de voeten van stranden. Maar toen de zeeën vol raakten en beenvissen verschenen, nam de voorraad fosfaten af ​​en konden de brachiopoden niet langer vrijelijk zoeken naar wat ze nodig hadden om hun dure huis te bouwen. Beenvissen waren wijs in het gebruik van fosfaat als bouwstof: hun tanden, een paar delen van het skelet, en dat was het dan. Omdat ze in beweging zijn, kunnen de vissen alle fosfaten en andere voedingsstoffen opvangen die van het land naar de zee worden gefilterd, voordat ze de harde, klonterende schelpen eronder bereiken.

Fosfaten werden gedomineerd door gewervelde dieren en niets kon hen nu tegenhouden.