リンサイクル: 原因か結果か?

「リンなしでは生命は不可能だろう」とネイチャー誌の社説は始まる。

DNAから膜脂質、細胞内でエネルギーをやり取りする化合物に至る分子に存在し、窒素と並んで必須栄養素として機能します。リンは活発な生物地球化学サイクルで環境中を移動します 、その化学反応性と飢えた生物による激しい競争を反映しています。 [強調を追加しました。]

この生物地球化学サイクルはどのようにして始まったのでしょうか? ケンブリッジ大学の科学者たちは、「生命と地質がどのように連携して地球の栄養豊富な地殻を形成したか」について困惑している。 彼らの分析では、リン元素がカンブリア爆発とほぼ同時期に地殻内で増加したようであることがわかりました。 一方が他方の原因でしょうか、それとも結果でしょうか? それは偶然ではないようでした。

約5億年前、海洋生物は急速に多様化しました。瞬く間に— 少なくとも地質学的には —人生が変わったシンプルで柔らかい体の生き物から、殻や骨格を持つ複雑な多細胞生物まで。

さて、ケンブリッジ大学主導の研究により、この時期の生命の多様化は、地球の地殻の化学構造にも劇的な変化をもたらしました。— 私たちが歩く最上層であり、極めて重要なことに、生命に不可欠な栄養素の多くを提供する層です。

以前に議論したように、彼らはリン（P）が生物学的生産性の制限因子であることを繰り返し述べています。 他の最も豊富な必須元素 (C、H、O、N、S) とは異なり、リンは化学風化によって岩石から抽出する必要があります。爆発性のある純粋な形ではなく、PO43- (リン酸塩) として抽出されます。 微生物と植物は無機リン酸塩 (Pi) を利用できます。 そうすれば、他の生物は、それらが作ったリン酸塩含有分子 (有機リン酸塩、または Po) を利用できるようになります。

ケンブリッジのクレイグ・ウォルトンは、ひとたび海洋に生物が豊富になれば、リンのリサイクル・プログラムが始まる可能性があると指摘する。

これらの生物が死ぬと、リンの大部分は海に戻ります。 これ効率的なリサイクルプロセスが重要な管理です生命を支える海洋中の総リン量について、「私たちが見ているすべての人生を生きることができるようになります今日私たちの周りではとても理解されていますこのプロセスが開始されたときそれが本当に重要だ」とウォルトン氏は語った。

カンブリア紀の爆発の酸素理論は彼のモデルに影響を与えていますが、酸素が動物の数の突然の増加を引き起こしたと信じているとは明言していません。 彼は興味深い相関関係を指摘しているだけだ。

しかし、この生物学的再処理能力はすべて、酸素に依存している 。 これは、死んだ有機物質の分解を担うバクテリアを刺激し、リンを海に戻すものです。

研究者たちはこう考えていますカンブリア紀の爆発の頃の酸素の急増は、リンが増加した理由を説明するかもしれない岩の中。 「もし当時酸素が増加していたとしたら、深海のバイオマスを分解し、浅い沿岸地域にリンをリサイクルするために、より多くの酸素が利用可能だったかもしれない」とウォルトン氏は述べた。このリンを陸地に戻すということは、大陸を構成する岩石の中でよりよく保存されることを意味しました。「この一連の変化は、最終的に、私たちが知っているような複雑な生命の活動を促進する原因となった」とウォルトン氏は述べた。

したがって、酸素はリン回路の 3 番目の必須成分です。

「一連の出来事を解明するのは難しい――複雑な生命が進化したのは、そもそも酸素とリンの供給量が増加したことが部分的に影響しているのか、それとも酸素とリンの供給量の増加に実際に完全な責任があるのか​​どうかは依然として物議を醸しているトピックです」ウォルトン氏とチームは現在調査を検討しているトリガーとタイミング地殻中のこのリン富化についてさらに詳しく説明します。

要約すると、地球上の生命を維持する 2 つの非生物的要素 (酸素とリン) と生物学との驚くべき相互作用が存在します。 ケンブリッジの科学者たちは、どちらが先か、サイクルがどのように引き起こされるか、サイクルが開始された後にどのようにバランスが保たれるのかを判断できませんでした。

ここで述べたように、生物はリン酸塩の制限に対処するための驚くべきメカニズムを備えています。 ネイチャー社の社説は、人間が肥料用のリンを採掘することでサイクルを台無しにし、そのリンがしばしば海に流れ込み、有毒な藻類の発生を引き起こしていると非難している。

の現代のリンサイクルは人間によって深く介入されているリン制限を克服するために。 農地土壌で作物に利用できるリンの半分は、肥料の散布によって得られる可能性があります。 肥料は限られた資源です - 多くの場合、堆積したデトリタスからなる古代の岩石に由来するそしてその枯渇は、最終的にはそれに依存する農業や他の生物にとって問題を引き起こすでしょう。

3月、サイエンス・マガジンはダン・イーガンのリンに関する本『悪魔の元素とバランスを失った世界』を特集し、リンと環境の専門家である書評者のロバート・W・ハワース氏は「楽しく、生き生きとした、そして考えさせられる読み物だった」と評価した。 リン酸塩の流出は不用意に扱われると水路を汚染し、土壌を枯渇させる可能性があるため、この重要な要素を賢明に管理することが不可欠です。 しかし、地殻と生物圏を通じたその自動的なリサイクルについては、レビューでは言及されていない。 現在、人間の活動によって世界が「バランスを失っている」としたら、そもそもどのようにしてバランスが保たれたのでしょうか?

Nature Communications 誌の Senjie Lin による解説では、海洋酸性化、気候、窒素固定との相互作用など、リン制限に対する生物学的反応の複雑さを調査しています。 リン氏は答えよりも疑問の方が多いが、植物プランクトンはpHに対する反応が異なるため、さらに多くの研究が必要であると指摘している。

リンに関する特に興味深い発見の 1 つは、ショウジョウバエの研究から得られました。 ホメオスタシスを維持するためにリン酸を緩衝する新しい細胞小器官がハエの腸細胞で発見された。 ジェマ・コンロイが『Nature』誌で説明したところによると、この「これまで知られていなかった」細胞小器官は「リン酸の貯蔵庫のように機能し、細胞内の栄養素レベルの調節を助け、不足した場合には組織を維持するプロセスを引き起こす」という。

コンロイ氏は、ロックフェラー大学のチャールズ・シュー氏が、PXoと呼ばれるリン酸感知トランスポータータンパク質が通過する複数の膜に囲まれたいくつかの楕円形の構造にどのように気づいたかを語った。

「それらは非常に目に見えていたので、私たちはそれが何なのか疑問に思いました」と徐氏は言います。 科学者たちが謎の構造を詳しく調べたところ、いくつかの膜層があり、PXoタンパク質はそれらを横切ってリン酸を輸送していました 。 見慣れない細胞小器官に入ると、リン酸塩は細胞膜の主な構成要素であるリン脂質に変換されました。

ハエの細胞からリン酸が奪われると、細胞小器官は分解して貯蔵されていたリン脂質を放出する各細胞に侵入し、それらが貯蔵所のように機能することを示している、と徐氏は言う。

Nature に掲載された彼のチームの論文では、これらの「PXo 体」の顕微鏡写真が示されており、PXo 体がどのようにして無機リン酸塩 (Pi) を貯蔵および放出するかについて説明されています。

単細胞生物では、Pi は環境栄養素の豊富さを示し、一般に細胞の成長と分裂をサポートします1。後生動物ではただし、Pi の利用可能性は、栄養素の摂取、全身代謝、および局所的な Pi の使用に影響されるため、より複雑な Pi シグナル伝達 。 この研究では、Pi 飢餓または PXo 欠乏がショウジョウバエの中腸上皮における過剰増殖と腸細胞の分化を誘導することを実証しました。代償機構パイを吸収できる腸細胞をより多く生成します。動物細胞におけるサイトゾルのPi制御に関する知識が不足していることを考えると、私たちの発見は幅広い意味を持ち、Piの代謝とシグナル伝達の研究に新たな道を開く可能性があります。。

センサーを備えたリザーバーからリン酸塩をジャストインタイムで送達するシステムは、細胞がヘムを緩衝して送達する方法についての私たちの話を思い出させます。

ケンブリッジの記事は、「生命と地質が協力して地球の栄養豊富な地殻を形成した」と述べている。 唯物論者の観点からすれば、それは擬人化の誤りです。 心を持たない実体は、カンブリア紀の動物の体の構造や、ジャストインタイムでリン酸を緩衝することができるセンサーを備えた細胞小器官のようなものを作り上げるために協力することはありません。

科学者は一般に、幸運な偶然に依存する説明には慎重です。 リン循環では、生物圏が機能するために不可欠な部分のタイミング、トリガー、バランス、恒常性に関して、生物学と地質学が協力していると考えられています。 これらは目的に富んだ概念です。 機能する生物圏が意図されているのであれば、これらの観察現実は理にかなっています。