NASA предъявило научному сообществу "астробиологическое открытие, которое повлияет на поиск свидетельств внеземной жизни". Учёные обнаружили и изучили микроорганизмы, которые в своём рационе полагаются на мышьяк и используют этот токсичный элемент для строительства клеток. Получается, если земная жизнь закусывает смертью, внеземная может выкинуть чего и похлеще?

Бактерия, обожающая мышьяк, перевернула привычные представления о "живности" (фото NASA, Jodi Switzer Blum) Все живые организмы нашей планеты строятся из шести "кирпичиков": углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы (CHNOPS). Фосфор внутри фосфат-иона (PO₄³-) входит в основу структур ДНК и РНК, определяет транспорт веществ через мембрану клетки, играет важную роль в обмене энергии.

Герои нынешнего исследования, стойкие бактерии, обитали в калифорнийском озере Моно (Mono Lake), известного своими ужасными условиями: высокой солёностью и щёлочностью, а также повышенным содержанием мышьяка (фото NASA) Биологи полагали, что CHNOPS – основа жизни во Вселенной. Однако некоторые учёные всё же задавались вопросом: почему на место "первой шестёрки" не могут встать другие химические элементы. Так, мышьяк (As), химически близкий к фосфору, мог бы выполнять его функции. Другое дело, что этот элемент для любой формы жизни является ядом.

Тем не менее AsO₄³- имеет ту же структуру, что и фосфат-ион, образует похожие связи. А значит, он теоретически может внедриться на чужое место.

Твёрже других эту позицию отстаивала геомикробиолог Фелиса Волф-Саймон (Felisa Wolfe-Simon) из NASA. "Мы знаем, что некоторые микробы дышат мышьяком", — заявила она ещё в 2006 году. В 2008-м учёные обнаружили червей, питающихся тяжёлыми металлами. В 2009-м гипотезу существования "жизни на мышьяке", выдвинутую Фелисой со товарищи, опубликовал International Journal of Astrobiology.

Дальнейшие выступления позволили "железной Лизе" собрать вокруг себя единомышленников, которые искали не просто толерантных к мышьяку существ, но тех, что могли извлечь из его использования биологическую выгоду. Так началось изучение самых странных уголков планеты, одним из которых было озеро Моно.

По-своему уникальное озеро стало таким из-за изоляции: пресная вода не поступала в него последние 50 лет. Зато водоём постоянно подпитывали мышьяком минералы, входящие в состав пород соседних гор. Внизу: Фелиса и доктор Рональд Ормленд (Ronald Oremland) из геологического центра США собирают коллекция грязи (фото Henry Bortman)Группа Фелисы собирала ил на берегах и дне водоёма, затем образцы помещались в искусственную среду, в которой преобладали арсенаты и почти отсутствовали фосфаты. Постепенно биологи довели концентрацию соединений фосфора до минимальной, однако даже в таких условиях одна группа бактерий из общей смеси продолжала процветать.

Микробы изолировали и поселили в раствор арсенат-ионов. Дальнейшие наблюдения показали, что в такой среде культура развивалась на 60% быстрее, чем в присутствии того самого жизненно необходимого фосфора. Когда же её лишили и мышьяковой подпитки, колония расти перестала.

Внизу слева бактерии, выращенные на фосфоре, справа – на мышьяке. Учёные отмечают, что в ближайшем будущем они хотят расшифровать геном GFAJ-1 и выяснить, как штамм ведёт себя в естественных условиях, когда его не вынуждают менять "диету" (фото Henry Bortman, Jodi Switzer Blum) Новый штамм назвали GFAJ-1. Учёные определили, что необычные микроорганизмы принадлежат семейству Halomonadaceae, относящемуся к гамма-протеобактериям (gammaproteobacteria), большая часть которых является патогенами.

Чтобы выяснить, как бактерии используют мышьяк, биологи "подсветили" раствор радиометками. Выяснилось, что "съеденный" элемент присутствует внутри органелл клеток, в нуклеотидах ДНК и РНК. При этом содержание арсенат-ионов было таким же, как и ожидаемое количество фосфат-ионов.

Эти данные натолкнули учёных на мысль, что токсичный элемент используется микробами так же, как и фосфор в работе клеточных механизмов. А раз на такое способен штамм GFAJ-1, то и другие микроорганизмы в ходе эволюции вполне могли перейти на подобный "корм". "Нынешнее открытие может стать окном в новый неизведанный мир", — считает Фелиса.

Другие учёные тем временем отмечают, что хорошо бы определить положение мышьяка в молекулах, выполняющих в клетке определённые функции. Например, надо выяснить, к чему приводит замена фосфора на мышьяк в молекуле АТФ. Страдает ли эффективность переноса энергии? Как влияет арсенат-ион на связи с белками и метаболические процессы? В общем, химики жаждут разобраться в деталях не меньше биологов.

Тем временем исследователи NASA твердят, что раз столь неожиданное для науки поведение существует на Земле, то космос может быть наводнён и более фантастическими существами.

Анализ, проведённый на синхротроне национальной лаборатории Стэнфорда (SLAC National Accelerator Laboratory), показал, что мышьяк содержится внутри клеток в форме арсената, а также, что эти ионы образуют связи с углеродом и кислородом подобно фосфату (фото Brad Plummer/SLAC). "Мы расширили понятие "жизнь". Чтобы найти её вне Солнечной системы, нам необходимо думать шире, разнообразнее", — говорит доктор Эдвард Вейлер (Edward Weiler), руководитель одной из научных программ NASA.

Формулировка "много шума из ничего" в данном случае была бы слишком пренебрежительной. Учёные действительно открыли невиданную ранее способность микроорганизмов (хотя их выводы ещё предстоит проверить). Однако и новой формой жизни GFAJ-1 можно назвать с большой натяжкой. Ведь микроорганизмов, обитающих в экстремальных условиях, биологам известно немало. К примеру, мы рассказывали о любителях глубины, невероятных высот, холода, подводного жара и даж е радиоактивных руд (фото Henry Bortman). Раньше мысли о том, что основой жизни может стать не только шестёрка CHNOPS, встречались разве что в фантастических книгах. Правда, частым "гостем" был вовсе не мышьяк, а кремний, который заменял углерод. Теперь же "альтернативная форма жизни" описана в Science.

Но эта история вовсе не о том, что в озере Моно нашли бактерии на мышьяке, — подытоживает Фелиса. – Наше открытие – это напоминание: формы жизни могут быть более непредсказуемы".

Источник: MEMBRANA

Первооткрыватели "внеземных" бактерий, использующих мышьяк вместо фосфора для строительства молекул ДНК, опровергли свои собственные выводы, попытавшись вырастить колонию таких микробов при полном отсутствии фосфора в питательной среде, говорится в двух статьях, опубликованных в журнале Science.

В 2010 году группа биологов под руководством Роузмари Редфилд (Rosemary Redfield) из университета Британской Колумбии в Ванкувере (Канада) изучала колонии микробов на дне калифорнийского озера Моно, воды которого отличается высоким содержанием щелочей и солей, в том числе высокой концентрацией солей мышьяка. Здесь ученые обнаружили уникальный микроорганизм GFAJ-1, клетки которого содержали высокую долю мышьяка (As) и крайне низкую - фосфора (P), одного из шести "элементов жизни". Исследователи заключили, что данная бактерия использует атомы мышьяка в качестве замены фосфора, что считалось немыслимым ранее.

Многие ученые крайне скептически отнеслись к открытию "мышьяковой жизни", что побудило ее первооткрывателей проверить первоначальные выводы. Редфилд и ее коллеги провели два новых эксперимента, тщательно изучив химический состав клеток GFAJ-1 и проследив за темпами роста бактерии в питательном растворе с высоким содержанием мышьяка и полным отсутствием фосфора.

Оказалось, что ДНК бактерий содержала лишь микроскопические следы мышьяка, и ни один из атомов As не был присоединен к молекуле ДНК при помощи прочной ковалентной связи. Это означает, что мышьяк не играл существенной роли в работе генетических механизмов клетки.

Кроме того, повышение концентрации мышьяка в питательной среде, где обитали клетки, никак не влияло на темпы размножения бацилл. С другой стороны, уменьшение доли фосфора в растворе крайне негативно сказывалось на здоровье колонии - рост постепенно приостанавливался и бактерии начинали медленно погибать.

Ученые изучили химический состав продуктов метаболизма бактерии. Это помогло им понять, что все молекулы белков, сахаров и других органических веществ с включениями в виде атомов мышьяка появились в ходе реакций, не связанных с обменом веществ в клетке бактерии.

Как отмечают ученые, данные новых опытов позволяют утверждать, что GFAJ-1 обладает крайне высокой устойчивостью к мышьяку, но при этом ее жизненные процессы ничем не отличаются от метаболизма нормальных бактерий. Таким образом, авторы гипотезы "мышьяковой жизни" были вынуждены опровергнуть свое сенсационное открытие двухлетней давности.

Фосфор в форме фосфатов (солей фосфорной кислоты) образует основу нитей молекул ДНК и РНК, а также входит в состав "топлива" для живых организмов - аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Мышьяк находится точно под фосфором в таблице Менделеева и очень похож на него по своим физико-химическим свойствам. Именно это сходство обуславливает его токсичность - организм не может отличить мышьяк от фосфора и "пропускает" его в процессы обмена веществ.