В мертвых водах калифорнийского озера, богатых токсичным для всего живого мышьяком, обнаружены бактерии. Они не только отлично себя чувствуют здесь, но и используют мышьяк в важнейших физиологических процессах. Они обладают иной биохимией. Они — чужие.

До сих пор трудно было поспорить с тем, что всем живым организмам обязательно требуются не только углерод, водород, кислород, азот и сера, но и фосфор — все эти элементы составляют белки и нуклеиновые кислоты. Тот же фосфор в виде фосфата формирует «костяк» нитей ДНК и РНК, входит в состав фосфолипидов клеточной мембраны, является частью универсального энергоносителя, молекулы АТФ, и так далее. Словом, без фосфора до сих пор невозможно было представить ни одну форму жизни, от вируса до депутата, тем более — на Земле.

Тем более революционной можно назвать находку американки Фелизы Вольф-Симон (Felisa Wolfe-Simon) и ее коллег, которые обнаружили, что представители относящегося к группе протеобактерий семейства Halomonadaceae вполне обходятся без фосфора, а роль его в их клетках играет токсичный для обычных живых организмов мышьяк. В принципе, из приведенного в начале статьи списка элементов, обязательных для жизни в том виде, в котором мы ее знаем, фосфор можно вычеркивать.

До сих пор иные формы жизни, использующие вместо привычных нам элементов другие, сходные по свойствам (скажем, кремний вместо углерода), были известны нам лишь по произведениям научной фантастики. Теперь же имеется реальный организм — пускай и внешне совершенно непритязательный, но на деле просто удивительный.

В Периодической таблице Менделеева мышьяк расположен непосредственно под фосфором, и по своим химическим свойствам они действительно близки. К примеру, он образует аналоги солей фосфорной кислоты (фосфатов) — соли мышьяковой кислоты, арсенаты (AsO43-), имеющие ту же тетраэдрическую пространственную структуру. Сходство элементов так велико, что арсенаты способны проникнуть в обычную живую клетку теми путями, которые в норме используются для транспорта фосфатов — что вносит свой вклад в токсичность соединений мышьяка.

Из всего этого можно сделать вывод, что если отбросить вопрос о ядовитости мышьяка, в принципе он был бы способен выполнять в биохимических процессах клетки ту же роль, что и фосфор. А против токсических эффектов его живые организмы вполне могут выработать средства защиты. С этой мыслью Вольф-Симон и ее команда приступили к поискам в водах соленого озера Моно в центральной Калифорнии. Этот водоем в некоторых участках отличается сравнительно высокими количествами мышьяка, который поступает из содержащих его минералов, вымываемых из окружающих озеро гор.

Ученые провели сбор проб ила и культивировали их в искусственной питательной среде, вместо обычного фосфата содержащей арсенат. Постепенно, через серию разведений, они добились того, чтобы в среде вообще не осталось фосфатов — и в таких условиях один вид микробов, оказалось, чувствует себя замечательно, активно растет и делится.

Настала пора следующего этапа экспериментов. Арсенат в питательную среду вносился с содержанием радиоактивных изотопов, с тем, чтобы проследить его дальнейшую судьбу в клетке. Выяснилось, что он обнаруживается в клеточных белках и липидах, в метаболитах вроде АТФ, а также в нуклеиновых кислотах — которые в данном случае не совсем корректно и нуклеиновыми кислотами называть… Количества арсената строго соответствовали той картине, которая была нарисована выше: как если бы мышьяк попросту заменял фосфор в соответствующих соединениях.

Дополнительные исследования подтвердили, что мышьяк содержится в этих микробах в виде арсената, что он образует те же связи с атомами кислорода и углерода, что и фосфат у обычных организмов, в том числе и в составе ДНК. В принципе, ни один из проведенных экспериментов окончательно не подтверждает гипотезу о выполнении мышьяком той же роли, что обычно выполняет фосфор. Но масса косвенных улик достаточно велика — так, независимый исследователь Мэри Войтек (Mary Voytek) заметила, что «полученным данным крайне трудно дать иное объяснение».

Однако, чтобы быть по‑настоящему точными и последовательными, ученым еще предстоит доказать присутствие арсената не только в самой клетке, но и в определенных биомолекулах, и на определенных ролях — скажем, в той же ДНК, формируя ее «хребет». Необходимо также продемонстрировать, что эти молекулы сохраняют структуру, активность и функциональность.

Для иллюстрации возьмем ту же молекулу АТФ, в которой три фосфата заменены на арсенаты. Будет ли она служить таким же эффективным переносчиком энергии, что и обычная АТФ? Будет ли она, как это необходимо для ряда реакций, связываться с глюкозой? И так далее, и тому подобное. Словом — необходимо разобраться во всех деталях и последствиях этой радикальной подмены одного элемента другим.

Тем более что мышьяк и фосфор хотя и схожи, но все-таки не идентичны. В водной среде арсенат образует заметно менее стабильные связи, чем фосфат, связи, которые распадаются за считанные минуты. Так что, возможно, использующим их организмам потребуются дополнительные средства стабилизации этих связей. Что еще более усложняет картину, но и делает ее еще более удивительной. Сама Фелиза Вольф-Симон соглашается: «У нас уйдет лет тридцать на то, чтобы разобраться в том, что происходит».

Кстати, в теории некоторые живые организмы могут оказаться еще более непохожими на нас — непохожими на все, что мы можем представить. Читайте: «Размножающиеся штопоры».

По информации NASA и Nature News