Фосфор, мышьяк... главное - рост!

Мы уже поверили. И знали в глубине души, что где-то еще во Вселенной есть жизнь. Возможно даже не так далеко. Где-нибудь на Марсе, или спутниках Сатурна. Да, неземная, кремний вместо углерода, сера вместо кислорода, мышьяк вместо фосфора... Ну ведь может? Вот и в новостях писали. Но - очередная сенсация осталась неподтвержденной... и почти опровергнутой. А уже размечтались - перевести все бактерии на мышьяк, сэкономить на фосфорных удобрениях, найти на Титане живые организмы, доказать происхождение жизни...

Чем-то это напоминает историю с "холодным термоядерным синтезом", такое впечатление, что местами происходят локальные провалы в реальности, искажаются законы физики, и у кого-то в стакане термоядерная реакция начинается, где-то бактерии начинают соединять нуклеотиды через мышьяк вместо фосфора... Так и фантастику можно вспомнить, Айзека Азимова, "Сами боги". Вдруг из параллельного измерения к нам чего-то подсовывают?

В декабре 2010 года в журнале Science была опубликована статья о бактериях, использующих мышьяк вместо фосфора. Если вкратце, группа исследователей взяла образец жидкости из озера Моно, вода которого насыщена солями мышьяка. Добавили питательную среду, выделили культуру бактерий, поместили их в раствор арсената с концентрацией, близкой к естественной, и... получили чистую культуру бактерий, названных GFAJ-1, предположительно использующих мышьяк вместо фосфора.

Мышьяк - микроэлемент, необходимый для жизнедеятельности организмов. В больших дозах ядовит. Токсическое действие обусловлено разрушением эритроцитов, изъязвлением кровеносных сосудов, нарушением баланса сахаров, далее поражением печени, почек, и так далее. В микроколичествах мышьяк замедляет процессы окисления в клетках, влияет на активность некоторых ферментов. Воздействие на организм во многом обусловлено, с одной стороны, схожестью с фосфором - сравнимые размеры атомов, степени окисления +3 и +5, образование аналогичных соединений. Однако, есть и различия. Растворимость арсенатов ниже, чем фосфатов. Они быстро гидролизуются и окисляются до 3-валентного состояния, с повышенной токсичностью. Мышьяк распространен повсеместно, в питьевой воде, в продуктах, особенно в морепродуктах - мидии, морские водоросли. Мы постоянно получаем микродозы мышьяка, и выводим их из организма, никак не замечая. Некоторые источники и природные водоемы, такие как озеро Моно в Калифорнии, или - что нам ближе - Чвижепсинский нарзан, источник в районе г. Сочи, содержат повышенную концентрацию мышьяка, и в малых дозах такая вода считается даже полезной.

Фосфор - основа биохимии, участник энергетического обмена, строительства белков и полисахаров, оболочек клеток и внутриклеточных мембран, и главное - нуклеотиды соединены в цепочки ДНК именно через фосфильные группы. То есть, все, что надо соединить - соединяется через фосфор. Возникновение жизни - той, которую мы привыкли видеть вокруг, во многом зависело от фосфора, от высокой растворимости фосфатов в воде. Теоретически, есть еще мышьяк и сурьма, схожие по химии, и не исключено, что в других условиях, при другой температуре, с другим растворителем, могла бы развиться жизнь на основе мышьяка. Именно это и собирались выявить исследователи.

Культуру бактерий GFAJ-1 поместили в среду, содержащую только мышьяк (в виде арсената), и фосфор в следовых количествах. Отмечен рост культуры, то есть бактерии делились и размножались, создавая новые клетки, новые ДНК, при (казалось бы) отсутствии фосфора! Но это вообще не доказательство. Культуру подвергли более тщательному изучению, в том числе ионной спектрометрии и рассеиванию рентгеновских лучей, использовали меченые изотопы и оценили их концентрацию внутри разных частей клеток. По всем представленным результатам следует, что на 96% фосфор в ДНК замещен на мышьяк, и бактерии продолжают размножаться. Как это возможно, почему ДНК не рвется, остается непонятным.

Статья получила некоторый резонанс, от теоретизирований по поводу жизни на Титане и других холодных планетах, до просто неприятия и попыток опровергнуть. Основным аргументом против является нестабильность арсената (V), и превращение его в арсенит (III), который уж точно не может выполнять те же функции. Причем такой процесс легко протекает в живых клетках, в отличии от аналогичного превращения фосфата в фосфит. Далее, фосфор распространен гораздо больше, чем мышьяк. В солнечной системе его в 1500 раз больше, и возникновение жизни на основе мышьяка соответственно намного менее вероятно. Но, строго говоря, авторы первоначальной статьи (Felisa Wolfe-Simon et al) о Титане и внеземной жизни и не говорили. Статья достаточно нейтральная - "вот мы что нашли, и вот что получилось. Чудеса, правда?". А тот же As(V) в составе длинной макромолекулы ДНК может оказаться более устойчивым, по сравнению с низкомолекулярными соединениями.

Этой зимой (январь 2012) дискуссия о мышьяке, бактериях и инопланетной жизни обрела продолжение. Образцы бактерий были переданы по востребованию другим исследователям, и одна из групп опровергла "инопланетные" результаты. Микробиолог Рози Редфилд опубликовала проведенные исследования в своем блоге, подробно, шаг за шагом. Выращивая культуру в аналогичных условиях, отмечена гибель части бактерий, очень медленное воспроизводство, меняющееся на описанное только при добавлении микроколичеств фосфора. Для точного определения, генетический материал был выделен из бактерий, разделен на фракции и исследован подробно. Следов мышьяка в ДНК не обнаружено. Высказаны предположения, что фосфор присутствовал в первых экспериментах, в количествах на грани ошибки измерений. А при анализах, показавших мышьяк в ДНК, была допущена какая-то неточность.

Как можно увидеть в блоге, уже есть критика используемого для опровержения метода и полученных результатов, идет обычный научный "махач", потрясание спектрометрами и хроматографами, спор о том, надо ли при анализе ДНК использовать змеиный яд для денатурации, и тому подобное.

Навряд ли сейчас можно однозначно сказать, была ли ошибка, и у кого. Но по крайней мере факт, что в богатой мышьяком среде умудряются выживать некоторые бактерии, неопровержим. Подождем еще год?