Загадки параллельной биосферы
Возможное существование «параллельной» биосферы на примере бактерий, использующих мышьяк вместо фосфора в своей ДНК, горячо обсуждается ведущими экспертами в журнале Science. Если ученые NASA, обнаружившие эти бактерии в Калифорнии, докажут свою точку зрения, это полностью изменит представления о жизни и методики ее поиска как на Земле, так и на далеких планетах.
Одна из самых горячих научных новостей прошлого года – открытие бактерий, которые, как предполагается, используют в своих биологических молекулах ядовитый мышьяк вместо фосфора, – снова заняла первые полосы научно-популярных изданий. Авторитетный журнал Science, опубликовавший спорную работу, пошел на беспрецедентный шаг, опубликовав множество критических статей и технических комментариев, посвященных пресловутым бактериям, а также ответ авторов статьи.
Напомним вкратце суть вопроса. Фелиса Вольфе-Симон и ее коллеги из Астробиологического института NASA изучили бактерии штамма GFAJ-1 семейства Halomonadaceae, живущие в калифорнийском озере Моно, богатом солями мышьяка, и обнаружили, что
фосфор в их биологически важных молекулах (в том числе ДНК) замещен мышьяком.
Это открытие фактически подрывает научные основы представлений об устройстве органического мира. ДНК состоит из углевода дезоксирибозы, азотистого основания и остатка фосфорной кислоты, свойства которой во многом определяют важнейшие биологические циклы в организме. Мышьяк, находящийся в таблице Менделеева точно под фосфором, отнюдь не является его полным аналогом. Повышенное внимание, которое привлекла к себе публикация, вполне понятно:
если сделанное авторами предположение подтвердится, это в буквальном смысле поставит все представления о жизни с ног на голову – начиная от поисков обитателей далеких планет и заканчивая возможным существованием «параллельной» биосферы на Земле.
Мышьяк чрезвычайно ядовит именно в связи с тем, что способен внедряться на место фосфора в биологических молекулах, но не может полноценно выполнять его функции (вспомните истории средневековых отравлений, хотя бы убийство французского короля Карла IX его матерью Екатериной Медичи, описанное в романе Дюма «Королева Марго»). Теперь же утверждается, что мышьяк вполне может служить такой же базой для биомолекул, как и фосфор (именно остатки фосфорной кислоты служат «скелетом» ДНК). Значит, к «джентльменскому набору» элементов, составляющих органические вещества – углерод–водород–азот—кислород—фосфор–сера – следует добавить еще и мышьяк, а диапазон условий, в которых может существовать жизнь, следует заметно расширить: ведь никому не известно, какие суровые условия способны выдержать «мышьяковые» организмы.
Все это слишком похоже на фантастику, и неудивительно, что декабрьская публикация в Science немедленно вызвала шквал критики, что и отмечается в специальном выпуске журнала.
«Science получил многочисленную корреспонденцию, выражающую определенные сомнения в методах, которые использовались в обсуждаемом исследования, а в также интерпретации результатов», – отмечает главный редактор журнала Брюс Альбертс.
«Статья подверглась жесткой критике из-за недостаточной чистоты эксперимента и необоснованности выводов»,
– написала зоолог Розмари Редфилд, один из самых жестких критиков публикации. Ранее она высказалась в своем блоге еще более бескомпромиссно: «Если бы эту работу представил аспирант во время аттестации, я бы отправила его обратно в лабораторию для более качественной очистки препаратов и переделки измерений». Она стала автором одного из технических комментариев, опубликованных в последнем номере Science, которые указывают на потенциальные ошибки в работе.
«Вывод о том, что арсенат может использоваться этими бактериями вместо фосфата, например для построения молекул ДНК, выглядит как минимум преждевременным. Авторы не предоставили прямых доказательств этого утверждения, и полученные ими результаты вполне могут быть объяснены способностью бактерий расти в присутствии следовых количеств фосфора», – соглашается эксперт «>«Газеты.Ru» немецкий биолог Иван Берг.
Авторы статьи базируют свои выводы на следующем эксперименте: чтобы проверить, как изменили высокие уровни мышьяка в озере строение бактерий, ученые вырастили контрольную культуру в среде со следовыми количествами фосфора. Добавление в эту среду мышьяка привело к бурному росту культуры.
Дальнейшие опыты по изучению ДНК бактерий показали наличие в ней мышьяка; на основании этих данных ученые заключили, что ДНК содержит мышьяк.
Однако критики предполагают, что могла иметь место недостаточная очистка образцов и среда содержала фосфор в более чем следовых количествах, вполне достаточных для нормального роста бактерий.
Другая проблема, считает Стивен Беннер из Фонда прикладной молекулярной эволюции, состоит в том, что эфиры мышьяковой кислоты, в форме которой мышьяк должен присутствовать в ДНК, растворимы в воде, поэтому
такая ДНК не может быть устойчивой.
Вольфе-Симон согласна с этими опасениями, но предполагает, что эфиры в больших биомолекулах вроде ДНК могут быть более устойчивы, чем предполагается исходя из свойств низкомолекулярных эфиров.
Критики работы из Марселя считают, что в восстановительной среде клетки мышьяк из формы арсената восстановится до другой формы – арсенита, а он, в свою очередь, уже не может выполнять аналогичные фосфату функции. Авторы работы на это ответили, что следов арсенита в изученных бактериальных культурах не было обнаружено.
Редакция журнала не видит трагедии в разразившейся дискуссии. «Реакция на публикацию – один из жизненно важных механизмов движения науки вперед: так наука корректирует сама себя в случае необходимости. Мы надеемся, что это исследование, а также опубликованные сегодня данные о нем послужат обмену информацией и вдохновят дальнейшие исследования, которые подтвердят или опровергнут сделанные выводы.
В любом случае конечный результат даст нам новое знание о том, в каких условиях возможна жизнь»,
– считает редакция журнала.
«Мы рады новой возможности лучше объяснить наши результаты и методы, которыми мы пользовались, а также принять во внимание альтернативные интерпретации. Так или иначе, мы считаем вполне обоснованными наши выводы о замещении фосфора на мышьяк на основании наших данных», – пишет в своем ответе на критику группа Вольфе-Симон.
Так или иначе, дискуссия далека от завершения. Группа Вольфе-Симон предложила своим критикам образцы бактерий GFAJ-1, чтобы они могли провести независимые исследования.
