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?

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.

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.

Рис. 1. 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).

Тем не менее AsO₄^3- 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.

Рис. 2. 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.

Новый штамм назвали GFAJ-1. Учёные определили, что необычные микроорганизмы принадлежат семейству Halomonadaceae, относящемуся к гамма-протеобактериям (gammaproteobacteria), большая часть которых является патогенами.

Рис. 3. 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).

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.

Рис. 4. 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).

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.

«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.

Рис. 5. NASA представило открытие как астробиологическое, и теперь многие недоумевают – при чём тут астробиология, если речь только о земных бактериях (фото Mark Wilson).

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».

Рис. 6. 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 даже радиоактивных руд (фото Henry Bortman).