Когато изграждаш живи същества, не може просто ей така да замениш маргарина с масло. Или поне така смятаха учените.
Но сега изследователи са успели да заставят микроорганизъм да се конструира с арсен, вместо фосфор, безпрецедентно заместване на един от шестте основни компонента на живота. Бактерията явно е вградила форма на арсен в самите си клетки, дори в своето ДНК, оповестиха учените на 2 декември.
Арсенът е силно токсичен и се смяташе, че е твърде химически нестабилен, за да замести фосфора, който изпълнява задачи от рода на удържането на структурата на ДНК в елегантна двойна спирала, активиране на протеини и предаване за осигуряване на енергия в клетките.
Как започна експериментът
Ако откритията бъдат потвърдени, те ще имат огромни последици за основите на биохимията и произхода и еволюцията на живота - както на Земята, така и навсякъде другаде във вселената.
"Това е зашеметяващ резултат, смайващ, много важен и поразителен резултат - ако това е истина," коментира молекулярният химик Алън Шварц от университета "Радбауд" в Ниймеген, Холандия. "Скептичен съм дори още повече от обикновено, заради големите последици. Но това е невероятно постижение. Оригинално и много важно."
Експериментите са започнали с утайка от източнокалифорнийското езеро Моно, което изобилства от стриди скариди, мухи и водорасли, които някак успяват да оцеляват в странната химия на езерото. Езерото Моно се е образувало в затворен басейн - единствената вода, която го напуска, се изпарява - което го прави почти три пъти по-солено от океана. То е силно алкално и изобилства от карбонати, фосфор, арсен и сяра.
В изследването, ръководено от Фелиса Уолф-Саймън от Института по астробиология на НАСА и американското геологическо проучване в Менло Парк, Калифорния, учените са култивирали микроорганизми от утайката на езерото Моно.
И започва тровенето с арсен
Микроорганизмите са получавали типичната диета от захари, витамини и някои незначителни количества метали, но не и фосфат, любимият биологичен източник на фосфор. След това екипът е започнал насилствено да подава на организмите арсенат, аналогична форма на арсена, във все по-високи и по-високи количества.
Един конкретен микроорганизъм - вече идентифициран като щам GFAJ-1 от соленолюбивия, главно морски вид Halomonadaceae, е бил извлечен и култивиран в епруветка. Част от екземплярите на микроорганизма са били с подадени огромни количества арсенат, другите са били с подаден фосфат.
Въпреки че микроорганизмите, съществуващи с арсенат, не са се развили толкова много, колкото тези с фосфат, те все пак стабилно са се разраствали, удвоявайки броя си на всеки два дни, разкрива Уолф-Саймън.
И въпреки че изследователският екип не е успял да елиминира всички следи от фосфата в оригиналната бактериална култура, техниките за откриване и анализ показват, че GFAJ-1 е започнал да употребява арсенат като конструктивен елемент на мястото на фосфата.
"Тези данни показват, че получаваме всеобхватно заместване," констатира Уолф-Саймън. "Този микроорганизъм, ако не грешим, е преодолял предизвикателството да оцелее по различен начин."
Значи и първоизточникът на живота...
Арсенът се намира точно под фосфора в периодичната таблица на елементите, така че от химическа гледна точка не е толкова различен, отбелязва Уолф-Саймън. А от шестте основни елемента на живота - въглерод, водород, азот, кислород, фосфор и сяра (още известни като съкращението CHNOPS) - фосфорът има относително неравностойно разпространение по повърхността на Земята.
Ако микроорганизъм в епруветка може да бъде заставен да съществува на база арсен, вероятно първоизточникът на живота също е изобилствал от арсен - и животът, който е бил базиран на фосфор, се е появил по-късно. Възможно е дори да съществува "биосфера в сянка" на базиран на арсен живот, която да остава незабелязана на Земята, или на някоя блуждаеща скала в космоса.
"Въпросът не е в арсена, нито в езерото Моно," твърди Уолф-Саймън. "Има нещо фундаментално в разбирането на гъвкавостта на живота. Всякакъв живот, микроорганизъм, дърво, ако го разложим, той ще се състои от тези шест основни елемента от CHNOPS. Но тук имаме единичен образец, форма на живот. Не можем да търсим това, което не знаем."
Основата на ДНК е изградена от фосфат
Сходствата между арсена и фосфора също са това, което прави елемента толкова отровен. Животът често не може да прави разлика между двата елемента - и арсенът може да се просмуква в клетките. Там той се конкурира с фосфора, свързва се със серните групи, или по друг начин причинява увреждания на клетъчно ниво, водещи до смъртта на клетката. Някои микроорганизми "дишат", като предават електрони към арсена, но дори и в тези случаи токсичният елемент остава извън клетката.
Изследователите имат затруднения да осмислят ролята на арсената като заместител на фосфата в клетките. Буквата 'P' в съкращението ATP, изразяващо енергийното съществуване на целия живот, означава именно фосфат.
А основата на двойната спирала на ДНК, молекулата, съдържаща генетичните команди за живота, е изградена от фосфат. Базовата биохимия твърди, че такива молекули биха били толкова нестабилни, че те биха се разпаднали, ако бъдат изградени с арсенат, вместо с фосфат.
"Всеки организъм, който ни е известен, използва ATP и базирана на фосфор ДНК," коментира биохимикът Матю Пасек от Университета на Южна Флорида в Тампа. По негови думи новото изследване е едновременно невероятно интересно и фантастично. Толкова фантастично, че е необходима много работа, за да може впоследствие да бъде демонстрирано как точно микроорганизмът използва арсената.
И фосфатът, и арсенатът могат да се натрупват в групи - и със своя леко отрицателен електрически заряд, леко положителната ДНК би била привлечена към подобни натрупвания, твърди Пасек. Може би арсенът, открит в частиците от ДНК, да е бил всъщност близко натрупване, около което ДНК да се е обвила, издига своя хипотеза той.
Микроорганизмът може да замества фосфата избирателно, твърди на свой ред геохимикът Евърет Шок от Държавния университет на Аризона в Темпе, като арсенът да се използва на някои места, но не и на други. Според Шок обаче реалната ценност на проучването не е в конкретиката.
"Това изследване демонстрира възможността да съществува заместване на един от основните елементи на живота," заключава той. Подобно изследване разширява перспективите. Сега ще видим доколко далеч може да стигне тази концепция.
