Жизнь на основе мышьяка

Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон.

Жизнь на основе мышьяка — организм на основе мышьяка в виде бактерии, штамма GFAJ-1, которая была открыта 2 декабря 2010 года астробиологом НАСА Фелисой Вольф-Саймон (en:Felisa Wolfe-Simon)^[1][2][3]. В природе эти бактерии живут в неблагоприятных условиях окружающей среды вблизи озера Моно в штате Калифорния (США), вода которого отличается высоким содержанием щелочей и солей — в частности, высокой концентрацией солей мышьяка. Впервые на Земле исследователи обнаружили микроорганизм, способный жить и размножаться, используя токсичный для других форм жизни мышьяк. Во всех клеточных компонентах этой бактерии мышьяк занимает место фосфора в органических молекулах.

Значение открытия

Увеличенные клетки бактерии GFAJ-1, растущих в среде с фосфором. (J. Switzer Blum)

Увеличенные клетки бактерии GFAJ-1, растущих в среде с мышьяком. (J. Switzer Blum)

Выявление альтернативной биохимической составляющей может изменить общепринятые до этого момента в биологии взгляды относительно возможности зарождения и развития различных форм жизни.^[4] Это открытие даст возможность расширить поиски жизненных форм на других планетах с негостеприимной для жизни средой, где, как ранее считалось, жизнь не имела шансов на существование.

Углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера являются основными шестью компонентами, формирующими жизнь на Земле. Фосфор является частью химической структуры молекул ДНК и РНК, несущих ответственность за генетическую информацию и которые рассматриваются как наиболее важные компоненты в живых клетках.

Фосфор является той необходимой составляющей, которая позволяет молекуле переносить энергию (аденозинтрифосфат). Также фосфор является составной частью фосфолипидов, формирующих мембраны клеток. В данном случае мышьяк разрывает привычный нам метаболизм клетки и полностью заменяет фосфор в новооткрытых бактериях, поскольку он имеет схожие с фосфором химические свойства.

Участие мышьяка в биохимических процессах определенных организмов

Содержание мышьяка в земной коре 1,7·10⁻⁴% по массе. В морской воде 0,003 мг/л^[5] (фосфор — 0,05- 0,2 мг/л).

Несмотря на свою токсичность для большинства земных форм жизни, мышьяк все же участвует в биохимических процессах определенных организмов^[6].

Некоторые морские водоросли и беспозвоночные включают мышьяк в комплекс органических молекул, таких как арсеносахара («arsenosugars» — углеводы с присоединёнными к ним соединениями мышьяка), арсенобетаины^[7] (arsenobetaines^[8]), арсенохолин, и соли тетраметиларсония. Грибы и бактерии могут производить летучие метилированные соединения, включающие в свой состав мышьяк. Мышьяколипиды^[9] (или «арсенолипиды») используемые вместо фосфолипидов, также были обнаружены в низких концентрациях во многих морских организмах. Их зачастую накапливают водоросли в тропических регионах, где в воде недостаточно фосфора — их роль пока что мало изучена. Некоторые бактерии используют арсенат, окисленную форму мышьяка, для своей жизнедеятельности. Также, некоторые прокариоты используют арсенат как конечный получатель электрона при брожении ((As V+ → As III+), то есть превращая арсенаты в арсениты), а некоторые могут использовать арсенат как донор электрона для генерирования энергии. Единственная бактерия, способная использовать арсенат как конечный акцептор (вещество, принимающее электроны и водород от окисляемых соединений и передающее их другим веществам) электронов в ходе т. н. «арсенатного дыхания» — облигатно анаэробный хемолитоавтотрофный микроорганизм (рода Chrysiogenes) Chrysiogenes arsenatis.

Штамм GFAJ-1

Достоверность этого раздела статьи поставлена под сомнение. Необходимо проверить точность фактов, изложенных в этом разделе. На странице обcуждения могут быть пояснения.

Озеро Моно

Недавно открытый микроб, штамм GFAJ-1 , является членом группы бактерий, имеющих общее название гамма-протеобактерии. В лаборатории исследователи успешно выращивали микробы, найденные близ озера Моно, подпитывая их рост мышьяком и небольшими добавками фосфора. После этого исследователи вовсе убрали фосфор из среды, оставив только мышьяк, и микробы продолжали размножаться и расти.

Ключевым вопросом исследования было выяснить, микроб GFAJ-1 во время своего роста лишь усваивает мышьяк и применяет его в биохимических процессах клетки, или собственно использует мышьяк для построения молекул ДНК, протеинов и клеточных мембран. Чтобы дать точный ответ на данный вопрос, исследователи использовали целый набор сложных методов исследования. Исследователи подсветили питательный «бульон» с мышьяком радиометками. Оказалось, что поглощённый мышьяк находится внутри органелл клеток, а также в нуклеотидах ДНК и РНК, что явилось подтверждением теоретических исследований биологов. Исследователи выяснили, что содержание арсенат-ионов было таким же, как и ожидаемое количество фосфат-ионов.

Лабораторный анализ показал, что микробы GFAJ-1 начали использовать мышьяк для изготовления вышеперечисленных структурных составляющих своих клеток.

Фелиса Вольф-Саймон

«Мы знали, что некоторые микробы могут дышать мышьяком, но теперь мы нашли микробов, делающих кое-что новое — они выстраивают части собственного организма из мышьяка» — объясняет значимость находки Фелиса Вольф-Саймон (Felisa Wolfe-Simon), ведущий специалист исследовательской команды.

Однако пока до конца не ясно, как мышьяк используется бактериями. Возможно, что, вопреки выводам исследователей, использование мышьяка ограничено мышьяколипидами, из которых, возможно, могут быть построены клеточные мембраны, причём, скорее всего, из-за химической нестабильности мышьяколипидов, в комбинации с фосфолипидами. Критики, подвергающие сомнению возможность использования мышьяка в качестве компонентов организма бактерии, указывают на возможность существования механизма изоляции крупинок мышьяка в вакуолях, наподобие механизма изоляции серы в серных бактериях. Сторонники теории замены фосфора мышьяком в свою очередь также указывают на возможность изоляции соединений мышьяка в вакуолях, где, возможно, арсенатные молекулы которые могут быть найдены в молекулах ДНК, находящиеся в вакуолях защищены от гидролизации средой, богатой поли-β-гидроксилбутиратом^[10] — соединением, замедляющим гидролиз соединений мышьяка, хотя факт существования таких механизмов пока не подтверждён^[11].

Почётный член Фонда прикладной молекулярной эволюции (США) Стивен Беннер (Steven Benner), отметил в своём выступлении на пресс-конференции в штаб-квартире НАСА, что хотя мышьяк своей химией напоминает фосфор, но всё-таки он, будучи встроен в структуру ДНК и РНК, является «слабым звеном», так как формируемые им химические связи легко ломаются из-за высокой реакционной способности атома мышьяка.

В то же самое время повышенная реакционная способность мышьяка, негативно влияющая на стабильность биологических молекул при комнатной температуре, может оказаться полезной в том случае, если биологическая молекула должна выполнять свои функции при низких температурах, таких, например, как на спутнике Сатурна Титане.

Теории о возможности жизни на Титане были выдвинуты в 2005 году на основании недавно полученных наблюдений, однако Титан значительно холоднее, чем Земля, поэтому на его поверхности нет жидкой воды. Однако с другой стороны на Титане имеются озёра жидкого метана и этана, а также реки и целые моря из них, кроме того, они могут выпадать в виде осадков, как дождь из воды на Земле. Некоторые научные модели показывают, что Титан может поддерживать жизнь не на водной основе, хотя не все учёные согласны с этими теориями, так как они всё ещё являются предметом широких дискуссий и дебатов в научном сообществе, в том числе и в NASA^[12][13][14].

См. также

• Альтернативная биохимия
• Анаэробное дыхание
• Дыхательная цепь переноса электронов
• Экстремофилы — совокупное название для живых существ (в том числе бактерий и микроорганизмов), способных жить и размножаться в экстремальных условиях окружающей среды (экстремально высокие/низкие температуры, чрезмерное давление и т. п.).
• Уравнение Дрейка — формула, с помощью которой можно определить число цивилизаций в галактике, с которыми у нас есть шанс вступить в контакт.
• Жизнь на Титане

Ссылки

• NASA — Astrobiology Magazine: «Searching for Alien Life, on Earth»
• New Bacteria Makes DNA With Arsenic1of2 на YouTube
• New Bacteria Makes DNA With Arsenic 2of2 на YouTube
• Видео на YouTube
• NASA confirms: Aliens are among us на YouTube
• Alien Life Living Among Us? на YouTube
• Felisa Wolfe-Simon1, Jodi Switzer Blum, Thomas R. Kulp, Gwyneth W. Gordon, Shelley E. Hoeft, Jennifer Pett-Ridge, John F. Stolz, Samuel M. Webb, Peter K. Weber, Paul C. W. Davies, Ariel D. Anbar and Ronald S. Oremland A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus (англ.) // Science. — 2010.
• Астробиологи нашли бактерии, способные изменить представление о живом. РИА Новости (2 декабря 2010). Архивировано из первоисточника 15 мая 2012.
• Бактерии «на мышьяке» могут лучше себя чувствовать на Титане. РИА Новости (3 декабря 2010). Архивировано из первоисточника 15 мая 2012.
• Ольга Белоконева В озере Моно живет бактерия — инопланетянка. Наука и жизнь.
• Елена Наймарк Мышьяк вместо фосфора — это реально!. Элементы (6 декабря 2010). Архивировано из первоисточника 15 мая 2012.

Примечания

1. ↑ Wolfe-Simon F, Blum JS, Kulp TR, et al. (December 2010). «A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus». Science. DOI:10.1126/science.1197258. PMID 21127214.
2. ↑ Arsenic-eating microbe may redefine chemistry of life  (англ.). naturenews. Архивировано из первоисточника 24 февраля 2012. Проверено 26 января 2011.
3. ↑ Астробиологическое открытие ведёт насыщенную ядом жизнь  (рус.). membrana. Архивировано из первоисточника 24 февраля 2012. Проверено 26 января 2011.
4. ↑ Пол Дэвис Чужие среди своих // В мире науки. — 2008. — № 3 (март).
5. ↑ J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
6. ↑ Biochemical Periodic Table - Arsenic. Umbbd.msi.umn.edu (8 июня 2007). Архивировано из первоисточника 16 августа 2012. Проверено 29 мая 2010.
7. ↑ Бетаин — триметильное производное глицина — триметилглицин, или триметиламиноуксусная кислота (внутренняя соль).
8. ↑ Arsenobetaine [(CH3)3As+CH2COO−]
9. ↑ Лаборатория Морских Липидов — Прочие полярные липиды
10. ↑ Бутират — соль или эфир масляной (бутановой) кислоты, соединение, в состав которого входит компонент (C₃H₇COO)_aX^a.
11. ↑ Элементы — новости науки: Мышьяк вместо фосфора — это реально!
12. ↑ http://www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/titan20100603.html Что потребляет водород и ацетилен на Титане? (англ)
13. ↑ http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=liquid-lake-on-titan Учёные подтвердили существование жидких озёр, и «пляжей» на спутнике Сатурна — Титане (англ)
14. ↑ http://www.space.com/8547-strange-discovery-titan-leads-speculation-alien-life.html Cтранное открытие на Титане ведёт к спекуляции чужой жизни (англ)