Das traurige Schicksal antiker Seefahrer mit guter Ballistik

Im Kambrium vor 500 Millionen Jahren wurden die Meere von der gepanzerten Gruppe beherrscht. Weiche Tiere scheiden Körper aus metallischer Paste aus, die sich zu schützenden Hüllen von immenser Stärke und dekorativer Schönheit verhärten, einige in Form von Widderköpfen oder Adlerflügeln, andere wie Champagnerflöten, die mit dolchscharfen Stacheln besetzt sind.

Aber in der Devonzeit, etwa 70 Millionen Jahre später, waren die meisten langbeinigen Theropoden, Briopoden, gut gepanzerten Seefahrer, Opfer von Raubüberfällen und ihre teuren Wege ausgestorben.

als Forscher Kürzlich vorgeschlagen In der Zeitschrift Trends in Ecology and Evolution veranschaulicht der Zusammenbruch des Brachiopodenreiches den Konflikt, der das Leben von Anfang an definierte: die Suche nach Phosphor. Wissenschaftler wissen seit langem, dass das Element Phosphor an mehreren Fronten essentiell ist, und hier bindet es das DNA-Molekül zusammen und treibt jede Bewegung der Zelle an. Der neue Bericht unterstreicht eine weitere Art und Weise, wie Phosphat – die chemisch nützliche Form von Phosphor – den Verlauf der Evolution als Schiedsrichter der harten Teile der Natur, ihrer Schalen, Zähne und Knochen, geprägt hat.

„Der Phosphor wurde von Wirbeltieren und Knochenfischen gestohlen“, sagte Peter Kraft, Paläontologe an der Karls-Universität in der Tschechischen Republik und Autor des neuen Berichts. „Als das passierte, diversifizierten sie schnell und übernahmen.“ Dr. Zusammenarbeit Kraft mit Michel Mergel von der Westböhmischen Universität.

Die Forschung ist Teil der Renaissance of Phosphate Studies, einem Projekt, das sich über Disziplinen und Zeitrahmen erstreckt. Chemiker untersuchen, wie Phosphate die präbiotische Brühe würzten, die das Leben überhaupt erst hervorgebracht hat, während Materialwissenschaftler mit dem Element spielen, um verblüffende neue Farben und Formen zu entwickeln.

„Wenn Sie Phosphor unter verschiedenen Bedingungen erhitzen, beginnen unterschiedliche Temperaturen, unterschiedliche Drücke und seltsame Dinge zu passieren“, sagte Andrea Sella, Professorin für anorganische Chemie am University College London. „Sie erhalten rote Faserformen, schwarze Metallformen und violette Formen.“ Sie können auch Schichten aus Phosphoratomen stapeln und sie dann in sehr dünne, flexible Blätter namens Phosphoren trennen, alles mit dem Ziel, den Fluss von Elektronen und Lichtteilchen zu kontrollieren, auf dem die Technologie beruht. „Wir haben gerade erst an der Oberfläche dessen gekratzt, was dieses Element leisten kann“, sagte Dr. Silla.

Phosphor wurde im späten 17. Jahrhundert von einem Hamburger Chemiker, Henning Brand, entdeckt, der ihn versehentlich isolierte, als er nach einem „Stein der Weisen“ suchte, der gewöhnliche Metalle in Gold verwandeln würde. Er experimentierte mit Unmengen der goldenen Flüssigkeit, die er am besten kennt – menschlicher Urin – und versetzte die Marke mit einer seltsamen Substanz, die keinerlei Midas-Touch hatte, aber im Dunkeln leuchtete, was Brand dazu veranlasste, sie Phosphor zu nennen, der griechische Name für „Licht bringen“.

Diese reine Form des Elements, weißer Phosphor genannt, erwies sich als giftig und brennbar und wurde daher im Krieg zur Herstellung von Leuchtspurgeschossen, Rauchvorhängen und alliierten Feuerbomben verwendet, die Brands Heimatstadt während des Zweiten Weltkriegs verwüsteten.

WP erlangte auch im 19. Jahrhundert düsteren Dickens-Ruhm, als es den Spitzen von Streichhölzern hinzugefügt wurde, um „Überall zuschlagen“-Streichhölzer zu produzieren. Mädchen und Frauen, die in schlecht belüfteten Fabriken arbeiteten, die das sehr beliebte Produkt herstellten, wurden manchmal so vielen Phosphordämpfen ausgesetzt, dass sie „dünne Kiefer“ entwickelten, ein schrecklicher Zustand, bei dem ihr Zahnfleisch zurückging, ihre Zähne ausfielen und die Knochen in ihren Kiefern locker wurden . Laut der Historikerin Louise Rowe trug der Kampf der Heiratsvermittler für sicherere Arbeitsbedingungen dazu bei, die moderne Gewerkschaftsbewegung anzuspornen.

Reines Phosphor kommt in der Natur nicht vor, aber es ist an Sauerstoff gebunden, wie Phosphate, und diese molekulare Gewerkschaft, die Phosphor-Sauerstoff-Bindung, „ist von grundlegender Bedeutung dafür, warum Biologie funktioniert“, sagt Matthew Bowner, ein organischer Chemiker am University College London. sagte. Der Körper speichert und verbrennt Energie, indem er die Phosphatbindungen, die in der kleinen monetären Maschinerie der Zelle, den Molekülen von Adenosintriphosphat, bekannt als ATP, gefunden werden, herstellt und bricht. Der Phosphat-Recycling-Prozess ist unerbittlich, sagte Dr. Bowner, „im Wesentlichen wird Ihr Körpergewicht jeden Tag in ATP umgewandelt.“

Phosphat verbindet sich mit Zucker, um das Rückgrat der DNA zu bilden, wo es eine sinnvolle Anordnung von Buchstaben genetischer Informationen enthält, die sonst in der Buchstabensuppe zusammenbrechen würden. Phosphate verschwören sich mit Lipidmolekülen, um jede Zelle mit einer wachsamen Membran einzukapseln, die immer bestimmt, was hineingeht und was zu vermeiden ist. Proteine ​​senden einander Nachrichten, indem sie Phosphatpakete austauschen.

Hinter dem erstaunlichen Vorteil von Phosphaten steht eine negative Ladung, die ein unerwünschtes Auslaufen verhindert. „Man kann nur Strom ein- und ausschalten, wenn man will“, sagte Dr. Bowner. „Es wird nicht in die Umwelt versickern.“ Im Gegensatz dazu, sagte er, löst sich das äquivalente Molekül auf Kohlenstoffbasis, Carbonat genannt, leicht in Wasser auf: „Wenn Sie DNA mit Kohlenstoffen anstelle von Phosphaten paaren, wird alles zerfallen.“ Dr. Bowner scherzte, dass wir das Leben eher auf Phosphaten als auf Kohlenstoff basieren sollten.

Im Gegensatz zu den anderen Hauptbestandteilen des Lebens – Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff – haben Phosphatmoleküle jedoch keine Gasphase. „Es ist zu groß zum Fliegen“, sagte Dr. Silla. Durch Erosion von Gestein, Zersetzung von Organismen oder Ausscheidungen wie Urin oder Guano springen Phosphate ins Spiel des Lebens ein. Das Verständnis der Wirkung von Phosphatflüssen im Laufe der Zeit ist ein großes Forschungsvorhaben.

Ein anhaltendes Rätsel ist, wie das frühe Leben mit Phosphat begann. Angesichts der Bedeutung von Phosphat für jeden Aspekt der Biologie muss die primitive wässrige Umgebung, in der die ersten Zellen entstanden, reich an Phosphat gewesen sein. „Allerdings sind die meisten natürlichen Gewässer der Erde heute sehr phosphatarm“, sagt Nicholas Tosca, Geochemiker an der University of Cambridge. „Wir haben erwartet, dass das Gleiche schon früh auf dem Planeten Erde zutrifft.“ Er erklärte, dass er glaube, dass Eisen Phosphate isoliert.

Dr. Tosca und Kollegen in Cambridge befassten sich mit dem Problem des Ursprungs des Lebens In einer kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Studie. Die Forscher beschlossen, die Annahme zu überdenken und fragten: Was war früher, als es viel weniger Sauerstoff gab? Sie wussten, dass Sauerstoff Eisen in eine Form umwandelt, die Phosphat stark stapelt. Was würde passieren, wenn Sauerstoff aus der Gleichung entfernt würde? Die Forscher stellten künstliches Meerwasser in einem großen, sauerstofffreien Handschuhkasten her und entdeckten, dass gelöstes Eisen unter diesen Bedingungen sicherlich den größten Teil des Phosphats zurückließ, das vermutlich für alle Protozellen in der Nachbarschaft verfügbar war.

In der Abhandlung Trends in Ecology and Evolution schlug Dr. Kraft in ähnlicher Weise vor, dass die kambrischen Meere relativ phosphatreich seien. Tiere können tatsächlich so viel aufnehmen, dass sie dicke, haltbare Schalen bilden können, wie das härteste Gewebe im menschlichen Körper – der Phosphatschmelz unserer Zähne.

„Es ist ein riesiger Vorteil, diese Schalen zu haben“, sagte Dr. Kraft. Im Vergleich dazu bricht die Schale moderner Mollusken aus Kalziumkarbonat leicht unter den Füßen von Stränden. Aber als die Meere überfüllt waren und knochige Fische auftauchten, schwand der Vorrat an Phosphaten, und die Brachiopoden konnten nicht mehr frei nach dem suchen, was sie zum Bau ihrer teuren Behausungen benötigten. Knochenfische nutzten Phosphat weise als Baumaterial: ihre Zähne, ein paar Teile des Skeletts, und das war’s. Da sie sich bewegen, können die Fische alle Phosphate und andere Nährstoffe, die vom Land ins Meer gefiltert werden, einfangen, bevor sie die harten, klumpigen Schalen darunter erreichen.

Phosphate wurden von Wirbeltieren dominiert, und nichts konnte sie jetzt aufhalten.