Der Phosphorkreislauf: Ursache oder Wirkung?

„Ohne Phosphor wäre Leben unmöglich“, beginnt ein Leitartikel in Nature.

Es kommt in Molekülen vor, von der DNA über Membranlipide bis hin zu Verbindungen, die Energie in Zellen transportieren, und fungiert neben Stickstoff als essentieller Nährstoff.Phosphor bewegt sich in intensiven biogeochemischen Kreisläufen durch die Umwelt Dies spiegelt seine chemische Reaktivität und die intensive Konkurrenz durch hungrige Organismen wider. [Betonung hinzugefügt.]

Wie begann dieser bio-geochemische Kreislauf? Wissenschaftler der Universität Cambridge sind ratlos darüber, „wie Leben und Geologie zusammengearbeitet haben, um die nährstoffreiche Erdkruste zu formen.“ In ihrer Analyse stellen sie fest, dass das Element Phosphor offenbar etwa zur gleichen Zeit wie die kambrische Explosion in der Kruste zugenommen hat. War das eine die Ursache oder die Wirkung des anderen? Es schien kein Zufall zu sein.

Vor etwa 500 Millionen Jahren diversifizierte sich das Leben in den Ozeanen rasch.In einem Augenblick– zumindest in geologischer Hinsicht –Leben verändertvon einfachen Lebewesen mit weichem Körper bis hin zu komplexen vielzelligen Organismen mit Muscheln und Skeletten.

Das haben nun Untersuchungen der Universität Cambridge gezeigtDie damalige Diversifizierung des Lebens führte auch zu einer drastischen Veränderung der Chemie der Erdkruste– die oberste Schicht, auf der wir gehen, und vor allem die Schicht, die viele der lebenswichtigen Nährstoffe liefert.

Sie bekräftigen, wie bereits erwähnt, dass Phosphor (P) ein limitierender Faktor für die biologische Produktivität ist. Im Gegensatz zu den anderen am häufigsten vorkommenden lebenswichtigen Elementen (C, H, O, N, S) muss P durch chemische Verwitterung aus Gesteinen gewonnen werden – nicht in seiner reinen Form, die explosiv ist, sondern als PO43- (Phosphat). Mikroben und Pflanzen können anorganisches Phosphat (Pi) verwerten. Dann können andere Organismen die von ihnen hergestellten phosphathaltigen Moleküle (organisches Phosphat, kurz Po) nutzen.

Craig Walton aus Cambridge weist darauf hin, dass ein Phosphor-Recyclingprogramm beginnen könnte, sobald es in den Ozeanen reichlich Leben gibt.

Wenn diese Organismen sterben, wird der Großteil des Phosphors wieder in die Ozeane zurückgeführt. DasEin effizienter Recyclingprozess ist eine Schlüsselkontrollevon der Menge des gesamten Phosphors im Ozean, der wiederum das Leben unterstützt, „Esermöglicht es uns, alles Leben zu haben, was wir sehenum uns herum heute, so verständnisvollals dieser Prozess begannist wirklich der Schlüssel", sagte Walton.

Die Sauerstofftheorie für die kambrische Explosion spielt in seinem Modell eine Rolle, obwohl er nicht ausdrücklich sagt, dass er glaubt, dass Sauerstoff die plötzliche Zunahme des Tierlebens verursacht hat. Er weist lediglich auf den interessanten Zusammenhang hin.

Aber all diese biologische Wiederaufbereitungskraftist auf Sauerstoff angewiesen . Dies treibt die Bakterien an, die für den Abbau abgestorbenen organischen Materials verantwortlich sind, wodurch Phosphor wieder in die Ozeane zurückgeführt wird.

Das denken die ForscherEin Sauerstoffanstieg etwa zur Zeit der kambrischen Explosion könnte erklären, warum Phosphor zunahm in Felsen. „Wenn der Sauerstoffgehalt zu diesem Zeitpunkt tatsächlich zugenommen hätte, wäre möglicherweise mehr Sauerstoff verfügbar gewesen, um Tiefseebiomasse abzubauen und Phosphor in flache Küstenregionen zurückzuführen“, sagte Walton.Durch die Rückführung dieses Phosphors in Richtung Land blieb er in den Gesteinen, aus denen die Kontinente bestehen, besser erhalten.„Diese Reihe von Veränderungen war letztendlich dafür verantwortlich, die Aktivität des komplexen Lebens, wie wir es kennen, voranzutreiben“, sagte Walton.

Sauerstoff ist daher ein dritter wesentlicher Bestandteil im Phosphorkreislauf.

„Es ist schwierig, die Abfolge der Ereignisse zu entschlüsseln –ob sich komplexes Leben teilweise aufgrund der erhöhten Versorgung mit Sauerstoff und Phosphor entwickelte oder ob sie tatsächlich allein für die zunehmende Verfügbarkeit von beidem verantwortlich waren, ist immer noch ein kontroverses Thema.“ Walton und das Team wollen nun Nachforschungen anstellender Auslöser und das Timingdieser Phosphoranreicherung in der Erdkruste genauer untersuchen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es ein bemerkenswertes Zusammenspiel der Biologie mit zwei abiotischen Elementen (Sauerstoff und Phosphor) gibt, das das Leben auf unserem Planeten erhält. Die Cambridge-Wissenschaftler konnten nicht entscheiden, was zuerst kam, wie der Zyklus ausgelöst wurde und wie die Dinge im Gleichgewicht blieben, nachdem der Zyklus begonnen hatte.

Wie hier erwähnt, verfügen Organismen über bemerkenswerte Mechanismen für den Umgang mit der Phosphatlimitierung. Der Nature-Leitartikel macht den Menschen dafür verantwortlich, dass er den Kreislauf durcheinander bringt, indem er Phosphor zur Herstellung von Düngemitteln abbaut, der oft in die Ozeane gelangt und giftige Algenblüten verursacht.

DerDer moderne Phosphorkreislauf wurde vom Menschen tiefgreifend beeinflusst um die Phosphorlimitierung zu überwinden. Die Hälfte des Phosphors, der den Pflanzen in landwirtschaftlich genutzten Böden zur Verfügung steht, stammt möglicherweise aus der Anwendung von Düngemitteln. Dünger ist eine begrenzte Ressource – oftstammt aus alten Gesteinen, die aus abgelagertem Schutt bestehenunter Meeresauftriebszonen – und seine Erschöpfung wird schließlich zu Problemen für die Landwirtschaft und andere Organismen führen, die darauf angewiesen sind.

Im März stellte das Science Magazine Dan Egans Buch „The Devil's Element and a World Out of Balance“ über Phosphor vor, „eine unterhaltsame, lebendige und zum Nachdenken anregende Lektüre“, so der Rezensent Robert W. Haworth, ein Experte für Phosphor und Umwelt. Ein kluger Umgang mit diesem kritischen Element wird von entscheidender Bedeutung sein, da Phosphatabflüsse bei unachtsamem Umgang Wasserwege verunreinigen und Böden auslaugen können. Sein automatisches Recycling durch die Erdkruste und die Biosphäre wird in der Übersicht jedoch nicht erwähnt. Wenn die Welt aufgrund menschlicher Aktivitäten jetzt „aus dem Gleichgewicht“ ist, wie ist sie dann überhaupt ins Gleichgewicht gekommen?

Ein Kommentar von Senjie Lin in Nature Communications untersucht die Komplexität biologischer Reaktionen auf die Phosphorlimitierung, einschließlich Wechselwirkungen mit der Versauerung der Ozeane, dem Klima und der Stickstofffixierung. Lin hinterlässt mehr Fragen als Antworten, stellt jedoch fest, dass Phytoplankton unterschiedlich auf den pH-Wert reagiert und daher noch viel mehr Forschung erforderlich ist.

Eine besonders interessante Erkenntnis über Phosphor stammt aus der Forschung an Fruchtfliegen. In den Darmzellen der Fliegen wurde ein neues Organell gefunden, das Phosphat puffert, um die Homöostase aufrechtzuerhalten. Gemma Conroy beschreibt in „Nature“ dieses „bisher unbekannte“ Organell „wie ein Phosphatreservoir, das dabei hilft, den Nährstoffgehalt in den Zellen zu regulieren und Prozesse auszulösen, die das Gewebe erhalten, wenn es knapp ist.“

Conroy erzählt, wie Charles Xu von der Rockefeller University einige ovale Strukturen bemerkte, die von mehreren Membranen umgeben waren, die von einem phosphatempfindlichen Transportprotein namens PXo durchquert wurden:

„Diese waren gut sichtbar und wir fragten uns, was sie waren“, sagt Xu. Als die Wissenschaftler die mysteriösen Strukturen genauer betrachteten, stellten sie fest, dass dies der Fall warmehrere Membranschichten, und das PXo-Protein transportierte Phosphat über sie hinweg . Im Inneren der unbekannten Organellen wurde das Phosphat in Phospholipide umgewandelt, die Hauptbausteine ​​der Zellmembranen.

Als den Fliegenzellen Phosphat entzogen wurde, bildeten sich die Organellenbrach auseinander und gab die gespeicherten Phospholipide freiin jede Zelle, was darauf hindeutet, dass sie wie Reservoirs funktionieren, sagt Xu.

Der Artikel seines Teams in Nature zeigt Mikrofotografien dieser „PXo-Körper“ und beschreibt, wie sie anorganisches Phosphat (Pi) speichern und freisetzen.

In einzelligen Organismen ist Pi ein Hinweis auf den Nährstoffreichtum in der Umwelt und unterstützt im Allgemeinen das Zellwachstum und die Zellteilung1.Bei MetazoenAllerdings wird die Pi-Verfügbarkeit durch die Nährstoffaufnahme, den systemischen Stoffwechsel und die lokale Pi-Verwendung beeinflusst, was Auswirkungen hatkomplexere Pi-Signalisierung . In dieser Studie haben wir gezeigt, dass Pi-Mangel oder PXo-Mangel eine Hyperproliferation und Enterozytendifferenzierung im Epithel des Drosophila-Mitteldarms induziert, was möglicherweise der Fall istein Kompensationsmechanismusum mehr Enterozyten zu produzieren, die zur Pi-Absorption fähig sind.Angesichts des Mangels an Wissen über die zytosolische Pi-Regulation in tierischen Zellen könnten unsere Ergebnisse weitreichende Auswirkungen haben und neue Wege für die Untersuchung des Pi-Metabolismus und der Pi-Signalisierung eröffnen.

Das System zur Just-in-Time-Lieferung von Phosphaten aus einem mit einem Sensor ausgestatteten Reservoir erinnert an unsere Geschichte über die Art und Weise, wie Zellen Häm puffern und abgeben.

In dem Cambridge-Artikel heißt es, dass „Leben und Geologie zusammengearbeitet haben, um die nährstoffreiche Erdkruste zu formen.“ Aus materialistischer Sicht ist das ein Trugschluss der Personifizierung. Geistlose Wesen arbeiten nicht zusammen, um so etwas wie einen kambrischen Tierkörperplan oder ein Zellorganell mit einem Sensor zu schmieden, der in der Lage ist, Phosphat für die Just-in-Time-Lieferung zu puffern.

Generell haben Wissenschaftler Angst vor Erklärungen, die auf glücklichen Zufällen beruhen. Im Phosphorkreislauf wird beobachtet, dass Biologie und Geologie hinsichtlich des Timings, der Auslöser, des Gleichgewichts und der Homöostase wesentlicher Teile für eine funktionierende Biosphäre zusammenwirken. Dies sind Konzepte, die reich an Zwecken sind. Wenn eine funktionierende Biosphäre beabsichtigt wäre, dann wären diese Beobachtungsrealitäten sinnvoll.