Hvordan jorden drifter forsyningskjeder for livet
Av David Coppedge; 27. febr. 2023. Oversatt herfra.

"Krisen i forsyningskjeden" i nyhetene understreker behovet for at komplekse systemer skal ha tilgang til delene de trenger i tide. Sammenbrudd i forsyningskjeden for ett system kan gi ringvirkninger for andre systemer.

Bilde 1. Menneskelig forsyningskjede

Under andre verdenskrig ble vitenskapen om operasjonsforskning, en gren av ingeniørfag som omhandler tids- og romeffektivitet, grunnlagt for å optimalisere sammenkoblede systemer. Med nye diagrammer som Pert-diagrammer identifiserte effektivitetseksperter noder der forsyningsbrudd kunne bremse eller stoppe produksjonen av komplekse systemer som fly eller skip. Noen noder kan arbeides med parallelt; andre kan ikke. For eksempel, hvis deler til et delsystem er rikelig på Norfolk-verftet, men spesifikke widgets må sendes fra Peoria via upålitelige transportører, kan det skje at arbeidere blir betalt for ledig tid mens de venter på at delene skal ankomme. Å spore et prosjekts kritiske vei gjennom disse nodene lar ledere estimere tiden det tar å fullføre et prosjekt, og deretter se etter måter å eliminere show-stoppere eller ineffektivitet. Fremskritt innen driftsforskning førte til innovasjoner som buffering og levering til rett tid .

Som med ingeniørkunst, så med livet. For ett eksempel har jeg rapportert -lenke om hvordan giftige heme-molekyler, som er essensielle for mange livsprosesser, syntetiseres, lagres og bufres for rettidig-levering uten å sette cellen i fare. Se også her for tre andre eksempler.

Bilde 2. Cellefabrikken -fra Otangelo Grasso

Elementær overflod vs. Tilgjengelighet
De mest tallrike grunnstoffene i kroppene våre (karbon, hydrogen, oksygen og nitrogen, som utgjør 96 prosent -lenke) er rikelig tilgjengelig i jordskorpen og atmosfæren. Nærhet er imidlertid ikke det samme som tilgjengelighet. Som vi så her og her, er nitrogen en tøff nøtt å knekke til tross for at det er den gassen som finnes mest i atmosfæren, og oksygen er svært giftig for cellene med mindre det håndteres forsiktig. På samme måte kommer karbon og hydrogen i mange molekylære former som ikke er direkte nyttige for celler. Forsyningskjedeproblemet avhenger derfor ikke bare av nærhet, men av 'innpakning'. Essensielle ingredienser er ikke nyttige hvis de er låst i en metallboks uten nøkkel.

Jorden er velsignet med en skorpe og en atmosfære som gir viktige elementer for livet. Men det hjelper ikke å ha elementene i jordskorpen hvis de ikke kan komme dit organismene trenger dem. En av de mest fascinerende aspektene ved Michael Dentons Privileged Species-serie med bøker, spesielt The Miracle of Man (2022), gjelder synergien mellom geologi og biologi som tilfredsstiller livets forsyningskjedekrav. La oss se på noen nye funn om å få kjemiske elementer dit de er nødvendige, i tide.

Bilde 3. Isbre

Den geologiske forsyningskjeden
Denton snakket om de kombinerte fordelene med isbreer og de unike egenskapene til vann for å male ned bergarter for å avdekke mineraler. Prosessen fungerer som sandpapir, sier han (The Miracle of Man, s. 37-38), og skaper "steinmel" som bringer elementer til jord og leire, som kan brukes av planter.
Fra Penn Today får vi vite at "Biogeokjemiker Jon Hawkings fra School of Arts & Sciences og laboratoriet hans, studerer isbreer for å forstå kretsløpet til elementer gjennom jordens vann, jord og luft i de kaldeste områdene, med implikasjoner for klimaendringer, økosystemhelse , og mer." Å samle iskaldt vann på Grønland uten forurensning er ikke glamorøst arbeid, sier Hawkings, men leder kollegene hans ved University of Pennsylvania til å verdsette iselvene som habitater for alger og bakterier.
-I tillegg til å romme liv, beveger også isbreer seg, om enn ganske sakte, sier Hawkings. De blir noen ganger referert til som "iselver." Når de flyter, kan isen fungere som sandpapir og male opp berggrunnen de ligger på. "Alt som er i berggrunnen kan bli mobilisert og, hvis det er reaktivt, vil det løse seg opp i vann," sier han.
Teamets arbeid med "elementmobilisering og globale systemer" har bare vært mulig det siste tiåret, sier Hawkings.

Den geologiske forsyningskjeden inkluderer også vulkaner, som beriker jord med næringsstoffer. En 'slående' ikke-biologisk leverandør er lyn, som kan bryte N2s trippelbindinger og skape nitrater som kan brukes av organismer. Mange planetariske forskere mener dessuten at andre essensielle elementer, som sink (Imperial College London) -lenke, og kanskje jordens havvann, ble levert som luftpost: via meteoritter og kometer. Mikrometeoroider leverer et jevnt regn av elementer -lenke, som inkluderer biologiske nødvendigheter som mangan, jern, magnesium, kalsium, fosfor og til og med krom. Noen av disse blir også forsynt av vulkaner.

Krom (Cr, atomnummer 24) er et annet viktig sporstoff -lenke, ikke bare for skinnende sykkelstyrer og kjøkkenutstyr i rustfritt stål, men også for insulinutnyttelse. Selv om det er giftig i overflod, avhenger stoffskiftet vårt av det. Vi får vanligvis nok krom i en rekke matvarer. En artikkel av Bertinotto og Griffin i PLOS ONE-lenke rapporterte at "Et lavt kromkosthold øker kroppsfett, energiinntak og sirkulerende triglyserider og insulin hos hann- og hunnrotter som får en diett med moderat fett og høyt sukrose fra peripubertet til ung voksen alder. ” Uten de vulkanske og meteoritiske forsyningskjedene vil det kanskje ikke være nok krom på jordoverflaten. Det kan være sant for andre sporelementer som trengs av organismer, inkludert sjeldne jordartselementer -lenke.

Bilde 4. Nitrogenase

Den biologiske forsyningskjeden
Som nevnt ovenfor kan lyn gjøre atmosfærisk nitrogen tilgjengelig, men det meste av biologisk tilgjengelig nitrogen er "fiksert" av mikrober som inneholder nitrogenase-enzymet. Disse biologiske vidunderne er lokalisert i rotknuter av belgfrukter og andre planter som har symbiotiske forhold til mikrobene. Det er mer irreduserbart komplekst enn en musefelle, men hvis du kunne bygge en mimikk av nitrogenase, ville 'verden stå framfor døren din'.

Et annet interessant tilfelle av mikrobiell levering gjelder kobolt. Mange tenker ikke på dette skinnende metallet i kostholdet sitt, men Co (element 27) er inkorporert i det aktive stedet for vitamin B12, essensielt for syntesen av nukleinsyrer og for cellulær metabolisme. Vitaminet er også involvert i syntesen av fettsyrer for myelinskjeden som superlader nevronene. Watanabe og Bito (2017) -lenke beskriver hvordan vi får vitamin B12 med dets koboltion i sentrum:

-Vitamin B12 syntetiseres kun av visse bakterier og arkeoner, men ikke av planter. Det syntetiserte vitamin B12 overføres og akkumuleres i dyrevev, som kan forekomme i visse plante- og sopparter gjennom mikrobiell interaksjon. Spesielt kjøtt og melk fra planteetende drøvtyggere (f.eks. storfe og sau) er gode kilder til vitamin B12 for mennesker. Drøvtyggere får vitamin B12, som regnes som et essensielt næringsstoff, gjennom et symbiotisk forhold til bakteriene som finnes i magen deres. I vannmiljøer får de fleste planteplankton vitamin B12 gjennom et symbiotisk forhold med bakterier, og de blir mat for larvefisk og muslinger. Spiselige planter og sopp inneholder sjelden en betydelig mengde vitamin B12, hovedsakelig på grunn av samtidige bakterier i jord og/eller deres luftoverflater. Dermed får mennesker vitamin B12 dannet ved mikrobiell interaksjon via hovedsakelig drøvtyggere og fisk (eller skalldyr) som matkilder.

Bilde 5. B12-vitamin kilder

Fra vulkan til malm til mikrobe til ku til lunsjtid hamburger, dukker dette uventede metallet opp gjennom både geologiske og biologiske forsyningskjeder. (Rollen til drøvtyggeres formage diskuterte jeg her. Du kan høre episoden på ID the Future.)

Begrensende faktor?
Av de essensielle elementene for liv kan fosfor (P, atomnummer 15) være en begrensende faktor. Se "Problemet med fosfor" -lenke og "Er det nok fosfor for oss?" -lenke. Disse artiklene ga indicier for at tilgjengeligheten av Ph har vært tilstrekkelig gjennom livets historie på jorden, og bemerket at mikrober og planter er gode resirkulere av fosfor, i stand til å implementere forhåndsprogrammerte utbedringstiltak under Ph-hunger.

Fosformangel har blitt en global bekymring (Auburn University -lenke). Nature Communications -lenke er bekymret for at jordoppvarming kan redusere fosfortilgjengeligheten. Det kan være bedre forsyningskjede-strategier på jobb i biosfæren enn vi er klar over. Det kinesiske vitenskapsakademiet rapporterte via Phys.org at fosfortilgjengeligheten i noen tilfeller forbedres av - av alle ting - termitter.
-Termitter er sosiale insekter i infraordenen Isoptera og er vidt spredt over tropiske og subtropiske økosystemer. Disse insektene er de viktigste jordbioturbatorene og har blitt kalt "jordingeniører." Fosforkonsentrasjoner er vanligvis lave i sterkt forvitret tropisk sur jord, men termittreir danner bioaggregater som tjener som bærere for P-beskyttelse og stabilisering.
Siden dette er et nytt funn, er det rimelig å forvente at andre biologiske prosesser vil bli funnet som fungerer for å opprettholde i-rett-tid levering av fosfor i andre økosystemer.

En skjult hånd
Man håper disse glimtene inn i jordens "operasjonsforskning"-løsninger bidrar til å gi oss tillit til at livet vil fortsette å trives slik det har gjort siden begynnelsen. Og kanskje vil suksessen til biosfæren peke på en skjult ingeniør-hånd, som visste alt om kritiske veier og levering til rett tid.

Bilde 6. David Coppedge

David Coppedge
David 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.

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund