То землянину смерть

В начале прошлой недели Американское космическое агентство (NASA) объявило о предстоящей видеоконференции, на которой специалисты должны были рассказать об обнаружении "неземных" форм жизни, обитающих в калифорнийском озере, буквально заполненном мышьяком. Как и следовало ожидать (и как, очевидно, было запланировано NASA), анонс вызвал жуткий переполох в СМИ - причем в основном далеких от науки - и для итогов конференции в газетах и интернет-изданиях было заранее зарезервировано место. Вряд ли репортеры всерьез рассчитывали услышать о первом контакте ученых с "зелеными человечками", но, судя по тому, что такая серьезная организация, как NASA, выступила с настолько интригующим заявлением, сообщить журналистам должны были что-то очень интересное.

Так и оказалось. В четверг, 2 декабря, все, кто интересуются наукой, узнали, что на планете присутствуют организмы, непохожие ни на какие другие известные биологам формы жизни. Обитающие в озере Моно бактерии используют в своем обмене веществ мышьяк - страшный яд, даже от небольших доз которого человек умирает крайне мучительной смертью (достаточно вспомнить описание смерти Эммы в "Госпоже Бовари" Флобера).

Но жестокие законы дарвиновской межвидовой конкуренции заставляют живых существ приспосабливаться даже к самым неподходящим условиям. Найденным в озере Моно микроорганизмам, названным учеными GFAJ-1, например, пришлось осваивать жизнь в присутствии мышьяка, концентрация которого в 700 раз превышала предельно допустимую (по нормам США). Мышьяк попал в озеро не в результате загрязнения от какого-нибудь завода - ядовитый элемент накапливался в воде тысячелетиями.

Озеро Моно питается от ледников гор Сьерра-Невада, содержащих довольно значительные количества мышьяка. Высокогорное озеро не имеет стока, поэтому As (так сокращается название мышьяка в периодической системе элементов; сокращение происходит от латинского названия элемента - arsenicum) с вершин остается в нем.

Авторы новой работы под руководством Фелисы Вольфе-Симон (Felisa Wolfe-Simon) отобрали образцы придонных отложений из озера и в лаборатории выделили из них бактерии (ученые уже знали, что в ядовитом озере кто-то живет). Исследователи "подкармливали" микроорганизмы необходимыми микроэлементами и постепенно повышали концентрацию мышьяка в среде. В итоге Вольфе-Симон и коллеги показали, что GFAJ-1 способны существовать на мышьяке при практически полном отсутствии в среде фосфатов (хотя при их наличии бактерии чувствовали себя лучше). Из следующих нескольких абзацев читателю станет ясно, какая связь между двумя этими веществами.

О вреде идеализма

Дело в том, что бактерии из озера Моно не просто нейтрализуют ядовитый мышьяк - они используют его в качестве одного из основных "кирпичиков" для построения своих клеток. Приспосабливаясь к существованию в мышьяковой среде, бактерии научились встраивать As в свою ДНК, а также в молекулы, при помощи которых живые существа запасают энергию.

В длинных цепях дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) закодирована вся генетическая информация об организмах, так что их по праву можно назвать главными молекулами клетки. Молекулы ДНК представляют собой полимеры, состоящие из отдельных блоков четырех различных типов. Каждый блок (их называют нуклеотидами), в свою очередь, состоит из трех составных частей: азотистого основания (сложное циклическое соединение), сахара дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются друг с другом через сахар и фосфат, образуя так называемую фосфодиэфирную связь.

Именно ее свойства определяют многие особенности ДНК - если бы она была немного менее прочной, то цепи ДНК просто рассыпались бы, а более прочную связь было бы труднее разрывать специальным ферментам, осуществляющим, например, "ремонт" поврежденных участков ДНК. Не менее важную роль фосфодиэфирная связь играет для хранения энергии в клетках - одним из способов ее запасания является "сохранение" джоулей в форме такой же связи в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ поставляет энергию для множества биохимических процессов, в частности, для синтеза ДНК. И опять же, именно конкретные свойства фосфата определяют способность АТФ работать универсальной "батарейкой".

Чрезвычайно точная "подгонка" фосфора под нужды клетки обеспечивает очень эффективную работу клеточных механизмов, но такой идеализм (как и любой другой) является узким местом системы. Небольшое отклонение в свойствах ключевого элемента приведет к разрушению всего механизма целиком. Фосфор - не единственный излишне идеализированный элемент в земных системах: другим типичным примером является углерод. Из-за такой узкой специализации элементов у ученых сложилось мнение, что жизнь может быть только углеродной (существование других форм жизни однозначно не отвергается, однако считается маловероятным), поэтому обнаружение "мышьяковых" бактерий можно без преувеличения назвать сенсацией.

GFAJ-1 используют мышьяк вместо фосфора – то есть в состав ДНК, РНК и АТФ входят остатки не фосфорной, а мышьяковой кислоты (в периодической системе элементов мышьяк находится прямо под фосфором, и, соответственно, образует химические соединения той же структуры). Пока ученые не могут объяснить, как именно калифорнийским бактериям это удается - остатки мышьяковой кислоты, например, несколько менее устойчивы в воде по сравнению с фосфатами.

Столь принципиальное отличие в биологии существ из озера Моно могло бы служить очень сильным доводом в пользу того, что общий предок всех живущих на Земле организмов не похож на то существо, которое ученые представляли себе до сих пор. Сейчас специалисты полагают, что химическое строение ДНК и РНК у пионеров жизни было таким же, как у современных организмов. Из новых данных можно было бы заключить, что в состав нуклеиновых кислот не обязательно входил именно фосфор.

Однако пока ученые не торопятся провозгласить этот вывод. Найденные в озере Моно бактерии подозрительно напоминают микроорганизмы семейства Halomonadaceae из группы гамма-протеобактерий (к этой же группе принадлежит, например, знаменитая кишечная палочка Escherichia coli). То есть, не исключено, что GFAJ-1 не произошли от неизвестного ученым гипотетического общего предка, а вторично развили способность использовать мышьяк вместо фосфора, пытаясь освоить незанятую экологическую нишу. Дать более точный ответ ученые, возможно, смогут по итогам более тщательного изучения калифорнийских микроорганизмов.

Но даже если привлекательная, но пока сомнительная гипотеза не подтвердится, открытие "мышьяковых" бактерий останется не менее значимым. Оно означает, что жизнь возможна не только в привычной земным ученым форме, когда ключевыми элементами являются углерод, кислород, водород, азот и фосфор. А это соображение, в свою очередь, подразумевает, что в список потенциально обитаемых планет можно включить не только "двойников" Земли, но и совсем непривлекательные для землян миры.