في العصر الكمبري ، قبل 500 مليون سنة ، سيطرت المجموعة المدرعة على البحار. تفرز الحيوانات الرخوة معجونًا معدنيًا يصلب في قذائف واقية ذات قوة هائلة وجمال ديكو ، بعضها على شكل رؤوس الكباش أو أجنحة النسور ، والبعض الآخر مثل مزامير الشمبانيا المتناثرة ، الأشواك الحادة.
ولكن على يد الديفونيين ، بعد حوالي 70 مليون سنة ، اختفى معظم هؤلاء البحارة ذوات الأرجل ذوات الأرجل ، والبريبوبود ، والبحارة المرتبطين بهم ، وكانوا ضحايا للسرقة وبطرقهم الباهظة.
كباحثين اقترح مؤخرا في مجلة Trends in Ecology and Evolution ، يوضح انهيار إمبراطورية brachiopod الصراع الذي حدد الحياة منذ البداية: البحث عن الفوسفور. لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن عنصر الفوسفور ضروري على العديد من الجبهات ، وهنا يربط جزيء الحمض النووي معًا ، وهناك قوة لكل حركة للخلية. يسلط التقرير الجديد الضوء على طريقة أخرى شكّل بها الفوسفات – الشكل المفيد كيميائيًا للفوسفور – مسار التطور باعتباره الحَكَم على أجزاء الطبيعة الصلبة ، وأصدافها ، وأسنانها ، وعظامها.
قال بيتر كرافت ، عالم الحفريات في جامعة تشارلز في جمهورية التشيك ومؤلف التقرير الجديد: “سُرقت الفوسفور من قبل الفقاريات والأسماك العظمية”. “وبمجرد حدوث ذلك ، تفرّعوا بسرعة وتولوا المسؤولية.” تعاون د. كرافت مع ميشال ميرغل من جامعة غرب بوهيميا.
البحث هو جزء من نهضة دراسات الفوسفات ، وهو مسعى يمتد عبر التخصصات والأطر الزمنية. يستكشف الكيميائيون كيف تمكن الفوسفات من تتبيل مرق البريبايوتك الذي ولد الحياة ، بينما يتلاعب علماء المواد بالعنصر في ألوان وأشكال جديدة مدهشة.
وقالت أندريا سيلا ، أستاذة الكيمياء غير العضوية في جامعة كوليدج لندن: “إذا قمت بتسخين الفوسفور في ظل ظروف مختلفة ، ودرجات حرارة مختلفة ، وضغوط مختلفة ، تبدأ أشياء غريبة في الحدوث”. “تحصل على أشكال حمراء ليفية ، وأشكال سوداء معدنية ، وأشكال أرجوانية.” يمكنك أيضًا تكديس طبقات من ذرات الفوسفور ثم فصلها إلى صفائح رقيقة جدًا ومرنة تسمى الفوسفورينات ، وكل ذلك لغرض التحكم في تدفق الإلكترونات وجزيئات الضوء التي تعتمد عليها التكنولوجيا. قال الدكتور سيلا: “لقد خدشنا فقط سطح ما يمكن أن يفعله هذا العنصر”.
تم اكتشاف الفوسفور في أواخر القرن السابع عشر بواسطة عالم الكيمياء من هامبورغ ، هينيغ براند ، الذي عزله عن غير قصد أثناء البحث عن “حجر الفيلسوف” الشهير الذي يحول المعادن العادية إلى ذهب. تجربة شرسة مع كميات كبيرة من السائل الذهبي الذي كان يعرفه أفضل – بول بشري – ظهرت العلامة التجارية بمادة غريبة تفتقر إلى أي لمسة ميداس ولكنها تتوهج في الظلام ، مما دفع براند إلى تسميته الفوسفور ، وهو الاسم اليوناني لـ “حامل الضوء”.
تم العثور على هذا الشكل النقي للعنصر ، المسمى الفوسفور الأبيض ، على أنه سام وقابل للاشتعال ، وبالتالي استخدم في الحرب ، لصنع طلقات التتبع ، وستائر الدخان ، وقنابل الحلفاء الحارقة التي دمرت مسقط رأس العلامة التجارية خلال الحرب العالمية الثانية.
اكتسب الفسفور الأبيض أيضًا شهرة ديكنزية قاتمة في القرن التاسع عشر ، عندما تمت إضافته لمطابقة النصائح لإنتاج مباريات “ضربة في أي مكان”. تعرضت الفتيات والنساء اللائي يعملن في مصانع سيئة التهوية تنتج هذا المنتج الشائع للغاية في بعض الأحيان إلى الكثير من أبخرة الفوسفور لدرجة أنهن أصيبن بـ “الفك الرقيق” ، وهي حالة مروعة تنحسر فيها لثتهن ، وتتساقط أسنانهن وتتحلل فكيهن. وفقًا للمؤرخ لويز رو ، ساعد كفاح الوكلاء من أجل ظروف عمل أكثر أمانًا في تحفيز الحركة العمالية الحديثة.
لا يوجد الفوسفور النقي في الطبيعة ، ولكنه مرتبط بالأكسجين ، على شكل فوسفات ، وهذا الاتحاد الجزيئي ، رابطة الفوسفور والأكسجين ، “أساسي لكيفية عمل علم الأحياء” ، ماثيو باونر ، الكيميائي العضوي في يونيفرسيتي كوليدج لندن . ، قال. يخزن الجسم الطاقة ويحرقها عن طريق إنشاء وكسر روابط الفوسفات الموجودة في أجهزة الصراف الآلي الصغيرة في الخلية ، جزيئات الأدينوزين ثلاثي الفوسفات ، والمعروفة باسم ATP. قال الدكتور باونر إن عملية إعادة تدوير الفوسفات لا هوادة فيها ، “تقوم بتحويل وزن جسمك إلى ATP كل يوم.”
ينضم الفوسفات إلى السكر لتشكيل العمود الفقري للحمض النووي ، محتفظًا بترتيب ذي مغزى بأحرف المعلومات الجينية التي من شأنها أن تنهار لتتحول إلى حساء أبجدي. يتحد الفوسفات مع جزيئات الدهون لتغليف كل خلية بغشاء دائم اليقظة يحدد ما يدخل وما يجب الاحتفاظ به. ترسل البروتينات رسائل إلى بعضها البعض عن طريق تبادل حزم الفوسفات.
وراء المنفعة المذهلة والمتعددة الاستخدامات للفوسفات شحنة سالبة تمنع التسربات غير المرغوب فيها. قال الدكتور باونر: “يمكنك وضع الطاقة وإخراجها فقط عندما تريد ذلك”. “لن تتسرب إلى البيئة.” في المقابل ، قال ، الجزيء المكافئ القائم على الكربون ، والذي يسمى الكربونات ، يذوب بسهولة في الماء: “إذا كنت ستخيط الحمض النووي مع الكربونات بدلاً من الفوسفات ، فإن كل شيء سينهار.” قال الدكتور باونر مازحا أنه يجب علينا التفكير في الحياة القائمة على الفوسفات بدلاً من الحياة القائمة على الكربون.
ومع ذلك ، على عكس المكونات الرئيسية الأخرى للحياة – الكربون والنيتروجين والأكسجين والهيدروجين – لا تحتوي جزيئات الفوسفات على طور غازي. قال الدكتور سيلا: “إنها أكبر من أن تطير”. يدخل الفوسفات لعبة الحياة من خلال تآكل الصخور ، وتدهور الكائنات الحية أو نفايات المنتجات مثل البول أو ذرق الطائر. يعد فهم تأثير تدفقات الفوسفات بمرور الوقت جهدًا بحثيًا كبيرًا.
اللغز الباقي هو كيف وضعت الحياة في وقت مبكر يديها على الفوسفات. بالنظر إلى مدى أهمية الفوسفات في جميع جوانب علم الأحياء ، يجب أن تكون البيئة المائية البدائية التي نشأت فيها الخلايا الأولى غنية بالفوسفات. قال نيكولاس توسكا ، عالم الكيمياء الجيولوجية بجامعة كامبريدج: “مع ذلك ، فإن معظم المياه الطبيعية على الأرض اليوم منخفضة للغاية في الفوسفات”. “لقد توقعنا أن يكون الأمر نفسه هو الحال بالنسبة للأرض في وقت مبكر.” وأوضح أن الحديد كان من المفترض أن يحبس الفوسفات.
تناول الدكتور توسكا وزملاؤه في كامبريدج لغز أصل الحياة في دراسة نُشرت مؤخرًا في Nature Communications. قرر الباحثون إعادة النظر في الفرضية من خلال سؤال أنفسهم: ماذا عن في البداية ، عندما كان هناك كمية أقل بكثير من الأكسجين حولها؟ لقد عرفوا أن الأكسجين يحول الحديد إلى شكل يتراكم فيه الفوسفات بإصرار. ماذا سيحدث إذا تم إخراج الأكسجين من المعادلة؟ ابتكر الباحثون مياه بحر اصطناعية في علبة قفاز كبيرة خالية من الأكسجين ووجدوا ، بالطبع ، في ظل هذه الظروف ، ترك الحديد المذاب معظم الفوسفات بمفرده ، ويفترض أنه متاح لجميع الخلايا البدائية في الحي.
في مقالة الاتجاهات في علم البيئة والتطور ، اقترح الدكتور كرافت بالمثل أن البحار الكمبري مشبعة نسبيًا بالفوسفات. يمكن للحيوانات أن تمتص الكثير ، في الواقع ، بحيث يمكنها صنع قذائف سميكة ومتينة مثل أصعب الأنسجة في جسم الإنسان – مينا الفوسفات لأسناننا.
قال الدكتور كرافت: “إنها ميزة عظيمة أن يكون لديك هذه القذائف”. وبالمقارنة ، فإن قشرة الرخويات الحديثة المصنوعة من كربونات الكالسيوم تتشقق بسهولة تحت أقدام جهاز التكسير. ولكن مع ازدحام البحار وظهور الأسماك العظمية ، تضاءلت احتياطيات الفوسفات ولم يعد بإمكان ذراعي الأرجل البحث بحرية عما يحتاجون إليه لبناء مساكنهم باهظة الثمن. استخدمت الأسماك العظمية الفوسفات بحكمة كمواد بناء: أسنانها ، وأجزاء قليلة من الهيكل العظمي ، وهذا كل شيء. ولأنها تتحرك ، يمكن للأسماك أن تحبس أي فوسفات ومغذيات أخرى تتسرب من الأرض إلى البحر ، قبل أن تصل إلى الأصداف الثقيلة والصلبة في الأسفل.
سيطرت الفقاريات على الفوسفات ، ولا شيء يمكن أن يوقفها الآن.
