في العصر الكمبري ، قبل 500 مليون سنة ، سيطرت المجموعة المدرعة على البحار. تفرز الحيوانات الرخوة أجسامًا معجونًا معدنيًا يصلب في قذائف واقية ذات قوة هائلة وجمال ديكو ، بعضها على شكل رؤوس الكباش أو أجنحة النسور ، والبعض الآخر مثل مزامير الشمبانيا المرصعة بأشواك حادة خنجر.

ولكن بحلول العصر الديفوني ، بعد حوالي 70 مليون سنة ، انقرضت معظم ذوات الأرجل ذوات الأرجل ، و briopods ، والبحارة ذوي القذائف الجيدة ، وضحايا السرقة وطرقهم الباهظة.

كباحثين اقترح مؤخرا في مجلة Trends in Ecology and Evolution ، يمثل انهيار إمبراطورية براكيوبود مثالاً على الصراع الذي حدد الحياة منذ البداية: البحث عن الفوسفور. لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن عنصر الفوسفور ضروري على عدة جبهات ، وهنا يربط جزيء الحمض النووي معًا ، مما يؤدي إلى تشغيل كل حركة للخلية. يؤكد التقرير الجديد على طريقة أخرى أن الفوسفات – الشكل المفيد كيميائيًا للفوسفور – قد شكل مسار التطور كحكم لأجزاء الطبيعة الصلبة ، وأصدافها وأسنانها وعظامها.

قال بيتر كرافت ، عالم الحفريات في جامعة تشارلز في جمهورية التشيك ومؤلف التقرير الجديد: “لقد سرقت الفقاريات والأسماك العظمية الفوسفور”. “وبمجرد حدوث ذلك ، تنوعوا بسرعة وتولوا المسؤولية.” تعاون د. كرافت مع ميشال ميرغل من جامعة غرب بوهيميا.

البحث هو جزء من نهضة دراسات الفوسفات ، وهو مشروع يمتد عبر التخصصات والأطر الزمنية. يستكشف الكيميائيون كيف تمكن الفوسفات من تتبيل مرق البريبايوتك الذي أدى إلى نشوء الحياة في المقام الأول ، بينما يتلاعب علماء المواد بالعنصر في ألوان وأشكال جديدة مذهلة.

قالت أندريا سيلا ، أستاذة الكيمياء غير العضوية في يونيفرسيتي كوليدج لندن ، “إذا قمت بتسخين الفوسفور في ظل ظروف مختلفة ، ودرجات حرارة مختلفة ، وضغوط مختلفة ، وبدأت تحدث أشياء غريبة”. “تحصل على أشكال ليفية حمراء ، وأشكال معدنية سوداء ، وأشكال أرجوانية.” يمكنك أيضًا تكديس طبقات من ذرات الفوسفور ثم فصلها عن بعضها إلى صفائح رقيقة جدًا ومرنة تسمى الفوسفورين ، وكل ذلك بهدف التحكم في تدفق الإلكترونات وجزيئات الضوء التي تعتمد عليها التكنولوجيا. قال الدكتور سيلا: “لقد خدشنا السطح فقط لما يمكن أن يفعله هذا العنصر”.

تم اكتشاف الفوسفور في أواخر القرن السابع عشر بواسطة الكيميائي من هامبورغ ، هينيغ براند ، الذي عزله عن غير قصد أثناء البحث عن “حجر الفلاسفة” الذي من شأنه أن يحول المعادن العادية إلى ذهب. تجريب كميات كبيرة من السائل الذهبي الذي يعرفه جيدًا – بول بشري – برزت العلامة التجارية بمادة غريبة تفتقر إلى أي لمسة ميداس ولكنها توهج في الظلام ، مما دفع براند إلى تسميته الفوسفور ، وهو الاسم اليوناني “يجلب الضوء”.

هذا الشكل النقي للعنصر ، المسمى الفوسفور الأبيض ، تبين أنه سام وقابل للاشتعال ، ولذلك تم استخدامه في الحرب ، لصنع طلقات التتبع ، وستائر الدخان ، وقنابل الحلفاء النارية التي دمرت مسقط رأس براند خلال الحرب العالمية الثانية.

فاز الفسفور الأبيض أيضًا بشهرة ديكنزية القاتمة في القرن التاسع عشر ، عندما أُضيف إلى أطراف أعواد الثقاب لإنتاج مباريات “إضراب في أي مكان”. كانت الفتيات والنساء اللواتي يكدحن في مصانع سيئة التهوية تنتج المنتج الشهير للغاية يتعرضن أحيانًا للكثير من بخار الفوسفور لدرجة أنهن أصيبن بـ “الفك الرقيق” ، وهي حالة مروعة انحسرت فيها لثتهن وانقطعت أسنانهن وانحلت عظام فكيهن. وفقًا للمؤرخة لويز رو ، ساعد نضال صانعي أعواد الثقاب من أجل ظروف عمل أكثر أمانًا في تحفيز الحركة النقابية الحديثة.

لا يوجد الفوسفور النقي في الطبيعة ، ولكنه مرتبط بالأكسجين ، مثل الفوسفات ، وهذا الاتحاد التجاري الجزيئي ، رابطة الفوسفور والأكسجين ، “أساسي في سبب نجاح علم الأحياء ،” ماثيو باونر ، الكيميائي العضوي في يونيفرسيتي كوليدج لندن ، قال. يخزن الجسم الطاقة ويحرقها عن طريق صنع وكسر روابط الفوسفات الموجودة في الآلات النقدية الصغيرة في الخلية ، وجزيئات الأدينوزين ثلاثي الفوسفات ، والمعروفة باسم ATP. قال الدكتور باونر إن عملية إعادة تدوير الفوسفات لا هوادة فيها ، “تقوم أساسًا بتحويل وزن جسمك في ATP كل يوم.”

يتحد الفوسفات مع السكر ليشكلا العمود الفقري للحمض النووي ، حيث يحتفظ بترتيب ذي مغزى لأحرف المعلومات الجينية التي لولا ذلك ستنهار في حساء الأبجدية. يتآمر الفوسفات مع جزيئات الدهون لتغليف كل خلية بغشاء يقظ دائمًا يحدد ما يدخل وما يجب تجنبه. ترسل البروتينات رسائل إلى بعضها البعض عن طريق تبادل طرود الفوسفات.

وراء المنفعة المذهلة للفوسفات ، شحنة سالبة تمنع التسرب غير المرغوب فيه. قال الدكتور باونر: “يمكنك وضع الطاقة وإخراجها فقط عندما تريد ذلك”. “لن تتسرب إلى البيئة.” على النقيض من ذلك ، كما قال ، فإن الجزيء المكافئ القائم على الكربون ، والذي يسمى الكربونات ، يذوب بسهولة في الماء: “إذا قمت بربط الحمض النووي مع الكربونات بدلاً من الفوسفات ، فسوف يتفكك جميعًا.” قال الدكتور باونر مازحا أنه يجب علينا أن نعتبر الحياة قائمة على فوسفات بدلا من 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”. يقفز الفوسفات إلى لعبة الحياة من خلال تآكل الصخور أو تحلل الكائنات الحية أو الفضلات مثل البول أو ذرق الطائر. يعد فهم تأثير تدفقات الفوسفات بمرور الوقت مسعى بحثيًا رئيسيًا.

أحد الألغاز العالقة هو كيف حصلت الحياة المبكرة على الفوسفات في البداية. بالنظر إلى مدى أهمية الفوسفات في كل جانب من جوانب البيولوجيا ، يجب أن يكون الإعداد المائي البدائي الذي نشأت فيه الخلايا الأولى غنيًا بالفوسفات. قال نيكولاس توسكا ، عالم الكيمياء الجيولوجية بجامعة كامبريدج: “مع ذلك ، فإن معظم المياه الطبيعية على الأرض اليوم هزيلة جدًا من حيث الفوسفات”. “كنا نتوقع أن يكون الشيء نفسه صحيحًا في وقت مبكر من كوكب الأرض.” وأوضح أنه يعتقد أن الحديد يعمل على عزل الفوسفات.

تناول الدكتور توسكا وزملاؤه في كامبريدج معضلة أصل الحياة في دراسة نُشرت مؤخرًا في Nature Communications. قرر الباحثون إعادة النظر في الافتراض ، متسائلين: ماذا عن في وقت مبكر ، عندما كان هناك كمية أقل بكثير من الأكسجين حولها؟ لقد عرفوا أن الأكسجين يحول الحديد إلى شكل يكدس الفوسفات بشدة. ماذا سيحدث إذا تمت إزالة الأكسجين من المعادلة؟ ابتكر الباحثون مياه بحر اصطناعية في علبة قفاز كبيرة خالية من الأكسجين واكتشفوا أنه ، بالتأكيد ، في ظل هذه الظروف ، ترك الحديد المذاب معظم الفوسفات بمفرده ، ويفترض أنه متاح لأي خلايا أولية في الحي.

في ورقة الاتجاهات في علم البيئة والتطور ، اقترح الدكتور كرافت بالمثل أن البحار الكمبري كانت مليئة بالفوسفات نسبيًا. يمكن للحيوانات أن تمتص الكثير ، في الواقع ، بحيث يمكنها صنع قذائف سميكة ومتينة ، مثل أصعب الأنسجة في جسم الإنسان – المينا الفوسفاتية لأسناننا.

قال الدكتور كرافت: “إنها ميزة كبيرة أن يكون لديك هذه القذائف”. وبالمقارنة ، فإن قشرة الرخويات الحديثة ، المصنوعة من كربونات الكالسيوم ، تتشقق بسهولة تحت أقدام الشواطئ. ولكن مع ازدحام البحار وظهور الأسماك العظمية ، تضاءلت إمدادات الفوسفات ، ولم يعد بإمكان ذراعي الأرجل البحث بحرية عما يحتاجون إليه لبناء مساكنهم باهظة الثمن. كانت الأسماك العظمية حكيمة في استخدامها للفوسفات كمواد بناء: أسنانها ، وأجزاء قليلة من الهيكل العظمي ، وكان هذا كل شيء. ولأنها تتحرك ، يمكن للأسماك أن تحبس أي فوسفات وأي مغذيات أخرى يتم ترشيحها من الأرض إلى البحر ، قبل أن تصل إلى الأصداف الصلبة المتثاقلة الموجودة بالأسفل.

سيطرت الفقاريات على الفوسفات ، ولا شيء يمكن أن يوقفها الآن.