Forut egnethet for livet: problemet med bor

David Coppedge; 1. august 2022. Oversatt herfra.

Bor er ikke et element som ofte vurderes i lister over essensielle ingredienser for livet. Det er ikke inkorporert i noen animalske enzymer, fett, proteiner eller nukleinsyrer, og få av oss ser på borinnholdet i matetikettene våre. Arizona State Universitys liste inkluderer ikke engang bor som utgjør noen liten brøkdel av kroppsvekten -lenke. Og likevel, overraskende nok, ville det ikke være noe liv uten bor: ingen planter, ingen bein og ingen hjerne. Hvorfor trenger vi det? Og hvor kommer det fra?


Kroppens elementerBilde 1. Elementer i kroppen vaar (biologi)


Rollene til elementene Michael Denton beskriver i sin "Privileged Species"-serie med bøker og videoer, spesielt i The Miracle of the Cell (2020) og The Miracle of Man (2022), er virkelig fascinerende: spesielt metalloenzymene som jern, kobber, og magnesium, for ikke å si noe om de strenge kravene til de vanlige elementene som oksygen, nitrogen og (selvfølgelig) karbon. Det var imidlertid aldri hans hensikt å diskutere hvert element i det periodiske systemet. Arbeidet hans kan få andre til å bidra til å forsterke saken for universets "forutgående egnethet" for komplekst liv. Nylig diskuterte vi et annet element han gikk forbi - fosfor (se slutten)- som legger til argumentet. Bor har en lignende historie å fortelle.


Ingenting kjedelig (boring) med bor

Bor, element 5 i det periodiske systemet, kalles en "metalloid" fordi det, mellom metaller og ikke-metaller, deler noen egenskaper med begge. Inneholder 5 protoner og 3 til 9 nøytroner (med bor-10 og bor-11 som de vanligste isotoper i naturen), har bor tre Periodisk tabelllvalenselektroner i sitt ytre skall som kan gi opphav til mange forbindelser. Det er aldri funnet naturlig i sin elementære form, men over 100 borholdige forbindelser med hydrogen, oksygen, karbon, nitrogen, natrium, klor og til og med aluminium er kjent. Mange borforbindelser, som borsyre, er vannløselige. I sin amorfe elementære form er bor et brunt pulver som brenner grønt i flammen (se en demonstrasjonsvideo nedenfor). Faktisk kommer den grønne fargen i mange fyrverkeri fra bor. Borforbindelser har lenge vært brukt til å antenne rakettdrivstoff fra Apollo-dagene og opp gjennom dagens SpaceX-oppdrag.

Video: lenke (4 min). Bilde 2. Periodisk tabell (Bor nr. 5)


Før du begynner på rollene innen biologi, kan du være interessert i å vite at borforbindelser har mange bruksområder i hverdagen: i håndsåpe (Boraxo), takstein, kull, glass, keramikk, kjernefysisk skjerming, sminke, halvledere, magneter og mye mer, som U.S. Borax Company liker å skryte av. Mange har hørt om de historiske 20-muldyr lagene som fraktet bor i Death Valley og leverte den til Mojave, 265 km unna, en ti dager lang prøvelse for uforferdede gruvearbeidere og deres muldyr på 1880-tallet. Lenger sørvest er det en liten by ved navn Boron i Mojave-ørkenen som er stedet for verdens største boraksgruve. Den leverer halvparten av verdens borater (bormineraler) og borsyre. Den andre halvparten er levert av Tyrkia, hvor enda større forekomster kan eksistere uutnyttet.

 


Et overraskende sjeldent atom Bilde 3: Bor-atomet


Bor-atometFor et så enkelt atom er bor overraskende sjeldent i universet. Atomfysikere tror det produseres i små mengder ved spallasjonsreaksjoner med kosmiske stråler eller i supernovaeksplosjoner, men ikke ved stjernenukleosyntese. Dette reiser spørsmål om hvordan jorden fikk sin forsyning - et emne vi vil komme tilbake til snart. Naturlige bormineraler kalt borater kan finnes i hele jordskorpen, på havbunnen og i vulkanske avsetninger. Hvis det er oppbrukt i jord, blir bladene gule, men for mye er giftig for planter. Bønder vet at ekstra bor i gjødsel kan øke avlingene til et visst punkt. Generelt ser ikke biologien ut til å være sulten på bor.


Så hvorfor er ikke bor inkorporert i biomolekyler? Det står rett ved siden av karbon i det periodiske systemet, men er ekstremt forskjellig i sine handlinger. Som brom deltar bor i syntesen av viktige forbindelser uten å være i dem. Et essensielt sporelemen; Bor fungerer som en regulator og tilrettelegger for viktige biokjemiske veier; for eksempel kan det forlenge halveringstiden til vitamin D og dermed øke biotilgjengeligheten. Det spiller viktige roller i hormonproduksjonen. Planter er avhengige av bor for konstruksjon av celleveggene, og dyr er avhengige av det under beindannelse. U.S. Borax forklarer dens mange roller i plantelivet:
-Bor er et essensielt mikronæringsstoff, integrert i en plantes livssyklus. Bor er bare nødvendig i små mengder, og bor er nødvendig i planter for å kontrollere blomstring, pollenproduksjon, spiring og frø- og fruktutvikling. Bor sørger også for sunn transport av vann, næringsstoffer og organiske forbindelser til voksende deler av planten...


Når planter trekker borater fra jorda, fordeles boret gjennom stilkene, bladene, røttene og andre strukturer. Når folk spiser planteavledet mat - som frukt, grønnsaker, nøtter og belgfrukter - absorberer de rutinemessig små mengder bor.
De fleste får nok bor fra plantekilder som epler, kaffe, belgfrukter og poteter. Vi trenger bare rundt 1,2 til 3 mg bor per dag, men det er "ingenting kjedelig med bor," skrev Lara Pizzorno i Journal of Integrative Medicine. Tenk på hennes forbløffende liste over fordeler vi får fra de små mengdene av dette elementet som vi inntar:
-Bor har vist seg å være et viktig spormineral fordi det (1) er avgjørende for vekst og vedlikehold av bein; (2) i stor grad forbedrer sårheling; (3) påvirker kroppens bruk av østrogen, testosteron og vitamin D gunstig; (4) øker magnesiumabsorpsjonen; (5) reduserer nivåer av inflammatoriske biomarkører, slik som hs-CRP og TNF-a; (6) øker nivåene av antioksidantenzymer, slik som SOD, katalase og glutationperoksidase; (7) beskytter mot plantevernmiddelindusert oksidativt stress og tungmetalltoksisitet; (8) forbedrer hjernens elektriske aktivitet, kognitiv ytelse og korttidshukommelse hos eldre; (9) påvirker dannelsen og aktiviteten til nøkkelbiomolekyler, slik som SAM-e og NAD+; (10) har vist forebyggende og terapeutiske effekter i en rekke kreftformer, som prostata-, livmorhals- og lungekreft og multippelt og ikke-Hodgkins lymfom; og (11) kan bidra til å lindre de negative effektene av tradisjonelle kjemoterapeutiske midler.


Muldyr trekker bor vognerBilde 4. Muldyr-trekker-bor-vogner


Geologisk tilgjengelighet av bor
Nå som vi er overbevist om fordelene med bor, kan noen ønske å overvåke borinntaket eller til og med spørre legene om tilskudd hvis de er i faresonen. Men hvor kom jordens bor fra? Som nevnt tidligere er det relativt sjelden i naturen, og det skal derfor ikke ha vært store mengder i soltåken som steinplanetene antas å ha samlet seg fra. Dette har fått noen til å spekulere i at bor ble levert til jorden i en "sen finér" av kondritter. Det virker rart, skjønt, fordi man kan spørre hvor disse objektene fikk det, hvis ikke fra soltåken. Uansett hvordan jorden har bor, er det her nå. Man kan anta at platetektonikk ville resirkulere det, slik det skjer i andre elementære sykluser (f.eks. karbon, nitrogen).


Selv om man tok jordens nåværende borbudsjett som gitt, ble en annen sak tatt opp i en nylig artikkel av Liang Yuan og Gerd Steinle-Neumann i Geophysical Research Letters. I følge deres modeller og beregninger skulle det meste bor ha sunket til jordens kjerne, fordi det ved høye temperaturer og trykk klamrer seg til jern.


-Platetektonikk fremmer transporten av overflatebergarter inn i mantelen, og produserer mye av dens kjemiske heterogenitet. Bor, et typisk skorpeelement, brukes ofte som en proxy for skorpebidrag når det finnes i mantelbergarter og er derfor et av de sentrale verktøyene i geokjemi for å spore resirkulering/blanding i mantelen. Ved å bruke kvantemekaniske beregninger finner vi at den kjemiske oppførselen til bor endres fra litofil (steinelskende) til siderofil (jernelskende) under trykk-temperaturforhold som er relevante for kjernedannelse. Dermed kan mye bor ha blitt transportert til kjernen, og kjernen kan være jordens største borreservoar, snarere enn skorpen.
Med andre ord burde smeltet jern da det sank til kjernen ha båret det meste av dette knappe elementet med seg. Faktisk tror de to forskerne at halvparten av jordens borbudsjett er lagret i kjernen nå. Hvordan kan den komme opp i jordskorpen der planter og dyr er avhengige av den?

Dentons "Prior Fitness"
Diamant-typerDette åpner et spørsmål som kan interessere designforkjempere som leter etter flere bevis på Dentons "forutgående klarhet"-argument. Bestemmer omkretsen og massen til planeten vår tilgjengeligheten av bor? Var det et problem med timing som forhindret en løpsk uttømming av bor til kjernen? Som forfatterne sier, "Ettersom metallisk jern hovedsakelig er tilstede i kjernen og sannsynligvis på prosentnivå gjennom hele mantelen, fortjener dets innvirkning på jordens borbudsjett å vurderes." Like hensyn må tas til krav til enhver beboelig planet som er i stand til å bære komplekst liv. Jeg har ikke sett bor tilgjengelighet diskutert av Denton eller i The Privileged Planet av Gonzalez og Richards (2004).


Forfatterne nevner at visse diamanter (type IIb) inneholder overskudd av bor. Andre geokjemikere har tatt det for å være en proxy for tektonisk resirkulering, men disse forfatterne utfordrer den tolkningen. "I stedet for bor i type IIb-diamanter som representerer jordskorpenesirkulering, antyder dens forutsagte siderofile natur fingeravtrykket til et metallisk reservoar." Reservoaret kan imidlertid ikke være i kjernen:
Hypotesen om et kjernebidrag til borsignaturen til Type IIb er svært formodet ettersom den krever mer enn 2000 km vertikal migrering av tette kjernekomponenter med minimal fortynning av borsignaturer.


De antyder at smeltet jern flyttet inn i mantelen og bar bor med seg, og at diamantene ble brutt ut derfra. (Diamanter kan plutselig komme til overflaten fra mantelen i raske vulkanske eksplosjoner som kalles kimberlittutbrudd.) Selv om de antyder noen isotopiske bevis for mantelreservoarer, virker løsningen deres også høyst antatt. Med mindre bevis for en selvopprettholdende borsyklus kan etableres, må man kanskje anta at komplekst liv dukket opp på jorden på et spesielt tidspunkt på grunn av den begrensende faktoren for bortilgjengelighet.
Faktum er fortsatt at jordens overflate nå ser ut til å ha rikelig med bor for levende organismer, selv om industriell etterspørsel krever gruvedrift så mye som kan finnes på isolerte steder som California-ørkener og visse provinser i Tyrkia. I den forbindelse ligner borbudsjettet på fosforbudsjettet som støtte for Dentons "tidligere fitness"-argument.

Bilde 5. Ulike diamanttyper (Type IIb har spor av bor)

David Coppedge
David CoppedgeDavid Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å ha delt materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte mot ham uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.

Bilde 6. David Coppedge

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund