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A pesar de su impresionante hoja de servicios a la vida biológica, el fósforo es relativamente inaccesible como elemento. Para entender cómo el fósforo obtuvo este papel tan prominente, los científicos han modelado un entorno geoquímico primitivo de la Tierra y el espacio.

Los elementos más comunes en una célula típica son el hidrógeno, el oxígeno, el carbono, el nitrógeno, el fósforo y el azufre. Todos ellos, excepto el fósforo, se encuentran entre los 10 elementos más abundantes del sistema solar. El fósforo está en el número 17.

«El fósforo es el elemento menos abundante cósmicamente en relación con su presencia en la biología», apuntó Matthew Pasek, de la Universidad del Sur en Florida.

Esta escasez de fósforo es si cabe más aguda en la superficie de la Tierra, donde la mayor parte del fósforo está encerrado en determinados minerales donde la vida tiene dificultades para usarlos.

Entonces, ¿cómo llegó la vida a depender de este relativamente raro elemento?

Pasek, está dirigiendo un esfuerzo por entender las posibles vías químicas que pudo haber tomado el fósforo para estar disponible para la vida en la Tierra primitiva. Esta investigación ha sido apoyada por el programa Exobiology and Evolutionary Biology de la NASA.

Obtener lo suficiente

El fósforo no suele recibir tanta atención, como ocurre con otros nutrientes esenciales como el calcio y el hierro, pero el elemento P se presenta en una amplia y sorprendentemente gama de moléculas biológicas.

Para empezar, el fósforo es un elemento estructural importante del ADN y el ARN. Ambas ambas moléculas genéticas tienen un esqueleto de azúcar-fosfato. El fosfato (PO4) funciona como una especie de «súper-pegamento», ya que tiene tres átomos de oxígeno que transportan cargas en solución. Dos de ellos forman enlaces iónicos con otros dos azúcares vecinos, mientras que el tercer oxígeno se queda «en suspensión» con carga negativa, lo que hace que el ADN por completo o la molécula de ARN estén cargados negativamente. Esta carga global ayuda a mantener a la molécula a la deriva separada de ubicaciones prohíbidas.

No muchas moléculas pueden llevar a cabo este acto de malabarismo de tres cargas. Elarseniato es una posibilidad. Recientemente, un grupo de investigadores afirmó haber encontrado un microbio que podía usar arseniato en lugar de fosfato, pero la controversia se mantiene sobre este presunto descubrimiento.

«El jurado aún está deliberando sobre el arseniato, pero está claro que el fosfato es la mejor opción cuando se le da la opción», adujo Pasek.

El fosfato juega otros papeles en la célula además de su presencia en el ADN. Se muestra tres veces en el trifosfato de adenosina o ATP, que es una forma vital de almacenar energía en las células. Muchas funciones biológicas requieren energía de la descomposición (o quema) de ATP, en lo que suele llamarse la «unidad molecular de medida» de la transferencia de energía.

«El cuerpo humano aporta su peso en ATP cada día y lo quema», explica Pasek.

El fósforo también tiene un papel importante en los vertebrados, cuyos huesos y dientes contienen apatita, un mineral de fosfato altamente estable.

Conseguir vitamina P

Debido a su importancia vital, todos los organismos de la Tierra deben encontrar una fuente de fósforo.

Los humanos y otros animales obtienen su fósforo al comer plantas (o comiendo animales que comen plantas). Las plantas extraer los compuestos de fósforo del suelo, pero buena parte de esto es material reciclado de la materia orgánica en descomposición.

Las plantas no son capaces de reciclar todo el fósforo disponible en el suelo, así que algo de ello acaba por entrar en el océano a través de la escorrentía. Una vez allí, lo pueden utilizar los organismos marinos, pero ocasionalmente, el fosfato se asienta en el fondo marino, donde vuelve de nuevo a ser incorporado en los sedimentos de roca.

Una vez que el fósforo está encerrado en minerales insolubles, se necesita muchísimo tiempo para que pueda regresar a una forma que las plantas y otros organismos puedan utilizar. En efecto, el ciclo del fósforo es uno de los  elementos de importancia biológica con ciclo más lento.

No satisfecho con la espera de los procesos geológicos para liberar el fósforo, los humanos en la actualidad gastan mucho esfuerzo en la minería de «roca de fosfato» y la modifica químicamente para hacer abono.

Y he aquí el problema para los astrobiólogos. Las primeras formas de vida no tuvieron a nadie que les rociara con el rico fertilizante P, así que ¿de dónde sacaron el fósforo?

Un camino distinto

La mayor parte del fósforo de la superficie de la Tierra se halla en algún tipo de fosfato. La razón, explica Pasek, es que el fosfato es el estado de menor energía para P en el ambiente rico en oxígeno de nuestro planeta. También existe de otas formas, pero más reducido.

«El fósforo reducido es químicamente más reactivo que el fosfato», señala Pasek, y esta reactividad adicional podría haber ayudado la fósforo a entrar, de manera furtiva, en el juego de la vida hace miles de millones de años.

Algunos ejemplos de compuestos de fósforo reducido incluyen los fosfuros. Estas moléculas suelen ser combinaciones de fósforos y metales, como el fosfuro de zinc, que se encuentra en el veneno de rata, o el fosfuro de hierro-níquel llamado schreibersita.

La Tierra contiene una gran cantidad de fosfuro, pero la mayor parte se encuentra en el núcleo, enterrado bajo 3.219 km. de roca. En la superficie, la forma más común de fosfuro de origen natural es la schreibersita, que no viene de abajo, sino de arriba, en forma de meteoritos.

«No podemos extraer material del núcleo de la Tierra, pero sí tenemos acceso al material del núcleo de los asteroides que se han roto, creando meteoritos», añadió Pasek.

Los fosfuros tienden a formarse allí donde el oxígeno es escaso y los metales abundantes. Por lo tanto, los núcleos de la mayoría de cuerpos astronómicos tienen fosfuros. También pueden formarse cuando un mineral de fosfato es golpeado por un rayo o un impacto de alta energía.

Pasek y sus colegas, han estudiado muestras geológicas de fosfuros, y han encontrado que la mayoría de fosfuros en la superficie de la Tierra provenían de meteoritos. Con el tiempo, gran parte de este material ha evolucionado en fosfatos. El equipo estima que de 1 a un 10 por ciento de los fosfatos hallados actualmente en la Tierra provienen de meteoritos.

Volviendo atrás en el tiempo

Aunque los fosfuros y otros compuestos de fósforo reducido no desempeñan ningún papel importante en la biología actual, sí que pudieron ser más prominentes cuando la vida luchaba por tener un punto de apoyo en este planeta.

Con simulaciones por ordenador, Pasek y sus colegas están modelando la química relacionada con P en diferentes períodos de tiempo, desde el principio del sistema solar hasta las primeras etapas de la vida. Se centran en la Tierra, pero también están buscando en otros lugares donde la química de P pudo haber sido importante, como los cometas y en la luna Titán.

Ellos han aumentado sus simulaciones con experimentos, en los que la schreibersita y otros minerales meteóricos se van añadiendo a una especie de «sopa primordial» de agua y moléculas orgánicas. Estas mezclas han producido algunos compuestos órganofosforadosque son similares a los encontrados en la biología. Por ejemplo, los investigadores han obtenido trifosfatos que pertenecen a la misma familia molecular de ATP.

«Hemos tenido buena suerte con los experimentos hasta ahora», comentó Pasek.

¿La receta original?

A través de su trabajo, el equipo de Pasek espera ofrecer el paisaje químico del fósforo a través de los primeros 2 mil millones de años de historia geológica de la Tierra. Esto podría ayudar a revelar cuándo y cómo la vida llegó a depender tan fuertemente de este elemento.

«El tiempo y el modo de entrada del fósforo en la vida es un intrigante rompecabezas», agrega Nicholas Hud, de Georgia Tech.

Hud cree que el fósforo no pudo haber sido uno de los ingredientes de la primera receta de la vida.

«Los ácidos nucleicos, las proteínas y los lípidos, todos ellos usan fósforo, pero podemos imaginar que pudo tratarse de una posterior sustitución de moléculas más simples» indicó.

En los ácidos nucleicos, por ejemplo, el papel de «pegamento» del fosfato pudo haber sido llenado por el glioxilato, una molécula todavía utilizada hoy en día por la vida. Hud piensa que el fósforo pudo comenzar en forma de trazas en unos pocos procesos biológicos, y que sólo más tarde, la vida encontró su potencial para ella.

«Una vez que la vida desarrolló la maquinaria molecular que permitió la incorporación del fósforo, e incluso la ‘cosecha’ de fósforo, la vida pudo evolucionar hacia un nivel más alto», añadió Hud. «La inclusión del fosfato probablemente representó un mayor avance evolutivo de la vida (supuniendo que no estuviese allí desde el principio), por esa razón es tan importante comprender el origen y la evolución primitiva de la vida.»

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– Fuente: Astrobiology Magazine, una publicación patrocinada por el programa de astrobiología la NASA . 

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