Возможна ли жизнь на основе мышьяка вместо фосфора

 Два года тому назад была опубликована статья о бактерии, которая может расти, используя вместо фосфора мышьяк.

Вот ссылка:

<form>

Science. 2011 Jun 3;332(6034):1163-6. doi: 10.1126/science.1197258. Epub 2010 Dec 2.

Wolfe-Simon F, Switzer Blum J, Kulp TR, Gordon GW, Hoeft SE, Pett-Ridge J, Stolz JF, Webb SM, Weber PK, Davies PC, Anbar AD, Oremland RS.

Резюме: Жизнь основана на таких элементах, как углерод, азот, кислород, водород, сера и фосфор. Хотя все они входят в состав нуклеиновых кислот, белков, липидов, теоретически представляется возможным, что их могли бы заменить другие эелементы переодической таблицы. Авторы описывают бактерию, выделенную из озера в Калифорнии, которая способна использовать мышьяк вместо фосфора для поддержания роста. Наши данные показывают, что в макромолекулах этой бактерии, прежде всего в нуклеиновых кислотах и белках, вместо фосфора содержится мышяк. Замена одного из основных «элементов жизни» на другой может быть очень важна в эволюционнном и геохимическом отношении.

Что же это за озеро такое? Особенное озеро, хотя и не уникальное. Таких озер много. Вода в нем соленая, щелочная с рН 9.8, в нем мало фосфатов, а много арсенатов (около 200 микромолей на литр). В таких озерах обычно живут бактерии, которыми интересуются из- за особенностей их обмена веществ. В том числе и потому, что надеются обнаружить такие формы жизни, которые могли бы существовать на других планетах.

Из донных осадков этого озера выделили бактерию, которая обладает высокой устойчивостью к (ArsO3)4-. Устойчивые к этому яду бактерии хорошо известны, есть и такие виды, которые используют окисление соединений мышьяка для обеспечения клеток энергией. Но эта бактерий оказалась примечательна не этим. Главное особенностью оказалась способность их расти в чистой культуре без добавления источников фосфора, но в присутствии (ArsO3)4-. Авторы не утверждали, что их микроб непременно требует соединений мышьяка, в присутствии фосфата, в отсутствии арсената бактерии росли лучше, и выглядели при электронной микроскопии куда лучше. В клетках образовывались крупные везикулы, сами клетки раздувались, и по внешнему виду сильно отличались от тех, которые выращивали в среде, где был фосфат. И все-таки, если им не давать ни фосфатов, ни арсенатов, они не размножались совсем. Получалось, что арсенаты заменили фосфаты, пусть и похуже. И действительно, в клетках этих бактерий нашли много мышьяка, при внесении в колбу радоактивного мышьяка, его удалось обнаружить в препаратах ДНК и белков, полученных из этого микроорганизма. А рентгеновкий микроанализ, позволяющий определять количество любого химического элемента в разных частях клетки, подтвердил, что клетки просто набиты мышьяком.

Авторы сделали осторожное заключение, что может быть, можно думать, что мышьяк частично замещает фосфор в ДНК и белках этой замечательной галомонады. А иначе как объяснить, что в присутствии арсената она растет, а без арсената и фосфата не растет.

Из этого заключения журналисты создали сенсацию, объявив об открытии на Земле «внеземной жизни», устроенной по иным принципам, чем вся, что известна ранее.

Сомнения вызывает не результат (методы применены современные и сомневаться в том, что в клетках исследуемого микроба много мышьяка, нет причин), а выводы, пусть и гипотетические. В самом деле, мышьяка в пробах ДНК и белка довольно мало. А в клетках его много. Но, может быть, он просто откладывается в виде малорастворимых солей или внутри мембранных пузырьков, которыми набита клетка при избытке мышьяка.

Такой способ обезопасить клетки от вредных веществ, поступающих из среды, распространен у микробов. И более того, может быть, небольшое количество мышьяка, заменяющего фосфор в ДНК, бактерия просто терпит. Выносливая такая. Иначе ведь не выжить в таком ядовитом озере, откуда она родом. Может быть, у нее ремонт поврежденных участков ДНК ( а они не могут быть не повреждены в таком случаем), называемый репарацией, хорошо развит.

Так что присутствие небольших количеств мышьяка в составе макромолекул еще не говорит о том, что «открыта новая форма жизни».

Вопрос о том, почему соли мышьяка в среде приводят к улучшению роста галомонады, пока не ясен. Возможно, все-таки, она использует арсенат для окислительно-восстановительных процессов, для получения энергии.

Остался один вопрос: как же галомонада обходится без фосфата.

И на этот вопрос ответити другие авторы:

Science. 2012 Jul 27;337(6093):467-70. doi: 10.1126/science.1218455. Epub 2012 Jul 8.

GFAJ-1 is an arsenate-resistant, phosphate-dependent organism.

Erb TJ, Kiefer P, Hattendorf B, Günther D, Vorholt JA.

В статье под названием «GFAJ-1 (сокращенное название бактерии) является организмом, устойчивым к арсенату и зависимым от фосфата)», опубликованном в том же журнале,

Они показали, что эта бактерия способна к росту при очень маленькой концентрации фосфата, всего лишь 1,7 микромоля на литр (а концентрация в 1000 раз больше, которая использовалась для сравнения в статье Вольф-Симон и коллег избыточна). Большинство микроорганизмов требуют для роста гораздо больше фосфата (пекарским дрожжам, к примеру, нужно в 20-50 микромолей фосфата на литр). Видимо, у этой бактерии поглощение фосфата из среды настроено на такие концентрации. При такой концентрации фосфата она растет и с мышьяком, и без него. Но если концентрацию фосфата снизить до 0,3 микромолей в литре, то уже никакие добавки мышьяка не помогут. Рост прекращается. Чтобы очистить питательные среды от такого небольшого количества фосфата, нужно было специально задаться этой задачей, что и сделали Эрб с соавторами.

Оценив количественную сторону, они обнаружили, что содержание мышьяка в основных биологических молекулах при выращивании бактерии в присутствии арсената очень невелико, и в нуклеиновых кислотах его не больше одного промилле по отношению к фосфору. Для того, чтобы получить эти данные, пришлось прибегнуть к современным масс-спектрометрическим методам.

Получается, что бактерий GFAJ-1 устойчива к арсенату, способна расти при очень низкой концентрации фосфата, которого хватает, чтобы синтезировать и нуклеиновые кислоты, и фосфолипиды и другие соединения (растет она вообще-то довольно медленно по сравнению с какой-нибудь кишечно палочкой, и биомассы образуется во много раз меньше). Очень интересная бактерия. Но никак не «новая форма жизни», подтверждающая возможность замены фосфора на мышьяк.

Найдут ли в будущем мышьяковую или кремниевую жизнь? Как-то сомнительно. Слишком существенны различия в химических свойствах элементов. Если и найдут, то уж по крайней мере, не на Земле. Пока еще возможности спектральных приборов не настолько высоки, чтобы обнаружить на экзопланете местные молекулы, которые могли бы сойти за аналоги нуклеиновых кислот. А в межзвездном газе находят обыкновенные метанол и нафталин. До соединений фосфора или мышьяка дело еще не дошло.

</form>