Le cycle du phosphore : cause ou effet ?

May 13, 2023

"La vie serait impossible sans phosphore", commence un éditorial dans Nature.

Présent dans les molécules de l'ADN aux lipides membranaires en passant par les composés qui transportent l'énergie dans les cellules, il agit comme un nutriment essentiel aux côtés de l'azote.Le phosphore se déplace dans l'environnement selon des cycles biogéochimiques vigoureux , reflétant sa réactivité chimique et la concurrence intense des organismes affamés. [Je souligne.]

Comment ce cycle bio-géo-chimique a-t-il commencé ? Les scientifiques de l'Université de Cambridge sont perplexes sur "Comment la vie et la géologie ont travaillé ensemble pour forger la croûte riche en nutriments de la Terre". Dans leur analyse, ils voient que l'élément phosphore semble avoir augmenté dans la croûte à peu près au même moment que l'explosion cambrienne. L'un était-il la cause ou l'effet de l'autre ? Cela ne semblait pas une coïncidence.

Il y a environ 500 millions d'années, la vie dans les océans s'est rapidement diversifiée.En un clin d'œil— au moins en termes géologiques —la vie transforméedes créatures simples au corps mou aux organismes multicellulaires complexes avec des coquilles et des squelettes.

Aujourd'hui, des recherches menées par l'Université de Cambridge ont montré quela diversification de la vie à cette époque a également entraîné un changement radical de la chimie de la croûte terrestre- la couche supérieure sur laquelle nous marchons et, surtout, la couche qui fournit de nombreux nutriments essentiels à la vie.

Ils réitèrent, comme nous en avons déjà discuté, que le phosphore (P) est un facteur limitant de la productivité biologique. Contrairement aux autres éléments vitaux les plus abondants (C, H, O, N, S), le P doit être extrait des roches par altération chimique - non pas sous sa forme pure, qui est explosive, mais sous forme de PO43- (phosphate). Les microbes et les plantes peuvent utiliser le phosphate inorganique (Pi). Ensuite, d'autres organismes peuvent utiliser les molécules contenant du phosphate qu'ils fabriquent (phosphate organique ou Po).

Craig Walton de Cambridge souligne qu'une fois la vie devenue abondante dans les océans, un programme de recyclage du phosphore pourrait commencer.

Lorsque ces organismes meurent, la majeure partie du phosphore est renvoyée dans les océans. Ceun processus de recyclage efficace est un contrôle clésur la quantité de phosphore total dans l'océan, qui à son tour soutient la vie, "Ilnous permet d'avoir toute la vie que nous voyonsautour de nous aujourd'hui, alors comprendrequand ce processus a commencéest vraiment la clé », a déclaré Walton.

La théorie de l'oxygène pour l'explosion cambrienne joue dans son modèle, bien qu'il ne dise pas explicitement qu'il croit que l'oxygène a causé l'augmentation soudaine de la vie animale. Il souligne seulement la corrélation intéressante.

Mais, toute cette puissance de retraitement biologiquedépend de l'oxygène . C'est ce qui alimente les bactéries responsables de la dégradation des matières organiques mortes qui renvoient le phosphore dans les océans.

Les chercheurs pensent queune augmentation de l'oxygène à peu près au moment de l'explosion cambrienne pourrait expliquer pourquoi le phosphore a augmenté dans les rochers. "Si l'oxygène a augmenté à ce moment-là, alors plus d'oxygène aurait pu être disponible pour décomposer la biomasse des grands fonds et recycler le phosphore vers les régions côtières peu profondes", a déclaré Walton.Ramener ce phosphore vers la terre signifiait qu'il était mieux conservé dans les roches qui composent les continents."Cette série de changements était en fin de compte responsable de l'alimentation de l'activité de la vie complexe telle que nous la connaissons", a déclaré Walton.

L'oxygène est donc un troisième composant essentiel du cycle du phosphore.

"Il est difficile de démêler la séquence des événements -si la vie complexe a évolué en partie à cause de l'augmentation des apports d'oxygène et de phosphore au départ, ou s'ils étaient en fait entièrement responsables de l'augmentation de la disponibilité des deux, est toujours un sujet controversé." Walton et l'équipe cherchent maintenant à enquêterle déclencheur et le momentde cet enrichissement en phosphore dans la croûte plus en détail.

En résumé, il existe une interaction remarquable de la biologie avec deux éléments abiotiques (l'oxygène et le phosphore) qui entretiennent la vie sur notre planète. Les scientifiques de Cambridge n'ont pas été en mesure de décider lequel est arrivé en premier, comment le cycle a été déclenché et comment les choses sont restées en équilibre une fois le cycle amorcé.

Les organismes ont des mécanismes remarquables pour faire face à la limitation du phosphate, comme indiqué ici. L'éditorial de Nature reproche à l'homme de gâcher le cycle en extrayant du phosphore pour en faire des engrais, qui se déversent souvent dans les océans, provoquant des proliférations d'algues toxiques.

Lele cycle moderne du phosphore a été profondément altéré par l'homme pour surmonter la limitation du phosphore. La moitié du phosphore disponible pour les cultures dans les sols agricoles peut provenir de l'application d'engrais. L'engrais est une ressource limitée — souventdérivé de roches anciennes composées de détritus déposéssous les zones de remontées d'eau marines - et son épuisement finira par entraîner des problèmes pour l'agriculture et les autres organismes qui en dépendent.

En mars, Science Magazine a présenté le livre de Dan Egan sur le phosphore, The Devil's Element and a World Out of Balance, "une lecture agréable, vivante et stimulante" selon le critique Robert W. Haworth, un expert du phosphore et de l'environnement. Une gestion avisée de cet élément critique sera essentielle, car le ruissellement des phosphates peut polluer les cours d'eau et appauvrir les sols s'il est manipulé sans précaution. Pourtant, son recyclage automatique à travers la croûte et la biosphère n'est pas mentionné dans la revue. Si le monde est maintenant "déséquilibré" à cause des activités humaines, comment est-il arrivé à l'équilibre en premier lieu ?

Un commentaire de Senjie Lin dans Nature Communications explore la complexité des réponses biologiques à la limitation du phosphore, y compris les interactions avec l'acidification des océans, le climat et la fixation de l'azote. Lin laisse plus de questions que de réponses, mais note que le phytoplancton diffère dans ses réponses au pH, donc beaucoup plus de recherches sont nécessaires.

Une découverte particulièrement intéressante sur le phosphore provient de la recherche sur les mouches des fruits. Un nouvel organite a été trouvé dans les cellules intestinales des mouches qui tamponne le phosphate pour maintenir l'homéostasie. Décrit par Gemma Conroy dans Nature, cet organite "jusqu'alors inconnu" "agit comme un réservoir de phosphate, aidant à réguler les niveaux de nutriment à l'intérieur des cellules et déclenchant des processus qui maintiennent les tissus en cas de pénurie".

Conroy raconte comment Charles Xu de l'Université Rockefeller a remarqué des structures de forme ovale entourées de plusieurs membranes qui étaient traversées par une protéine de transport sensible au phosphate nommée PXo :

"Ceux-ci étaient assez visibles, et nous nous demandions ce qu'ils étaient", explique Xu. Lorsque les scientifiques ont examiné de plus près les structures mystérieuses, ils ont vu qu'ils avaientplusieurs couches membranaires, et la protéine PXo transportait du phosphate à travers elles . Une fois à l'intérieur des organites inconnus, le phosphate a été converti en phospholipides, les principaux éléments constitutifs des membranes cellulaires.

Lorsque les cellules de la mouche ont été privées de phosphate, les organitesse sépare et libère les phospholipides stockésdans chaque cellule, indiquant qu'elles fonctionnent comme des réservoirs, dit Xu.

L'article de son équipe dans Nature montre des microphotographies de ces "corps PXo" et décrit comment ils stockent et libèrent du phosphate inorganique (Pi).

Dans les organismes unicellulaires, Pi indique l'abondance des nutriments environnementaux et soutient généralement la croissance et la division cellulaires1.Chez les métazoaires, cependant, la disponibilité de Pi est affectée par l'absorption des nutriments, le métabolisme systémique et l'utilisation locale de Pi, ce qui impliquesignalisation Pi plus complexe . Dans cette étude, nous avons démontré que la carence en Pi ou en PXo induit une hyperprolifération et une différenciation des entérocytes dans l'épithélium de l'intestin moyen de la drosophile, ce qui pourrait êtreun mécanisme compensatoirepour produire plus d'entérocytes capables d'absorber le Pi.Compte tenu de la rareté des connaissances sur la régulation cytosolique du Pi dans les cellules animales, nos découvertes pourraient avoir de vastes implications et ouvrir de nouvelles voies pour étudier le métabolisme et la signalisation du Pi.

Le système de livraison juste à temps de phosphates à partir d'un réservoir équipé d'un capteur rappelle notre histoire sur la façon dont les cellules tamponnent et libèrent l'hème.

L'article de Cambridge dit que "la vie et la géologie ont travaillé ensemble pour forger la croûte riche en nutriments de la Terre". D'un point de vue matérialiste, c'est une erreur de personnification. Les entités sans esprit ne travaillent pas ensemble pour forger quelque chose comme un plan corporel animal cambrien ou un organite cellulaire avec un capteur capable de tamponner le phosphate pour une livraison juste à temps.

Les scientifiques se méfient généralement des explications qui dépendent de coïncidences heureuses. Dans le cycle du phosphore, la biologie et la géologie coopèrent quant au moment, aux déclencheurs, à l'équilibre et à l'homéostasie des éléments essentiels au fonctionnement de la biosphère. Ce sont des concepts riches de sens. Si une biosphère fonctionnelle était prévue, alors ces réalités d'observation auraient un sens.