Альтернативная химия озера Моно

Недавно НАСА предъявило научному сообществу астробиологическое открытие, способное перевернуть наши представления о жизни...

Ученые обнаружили и изучили микроорганизмы, которые в своем рационе полагаются на мышьяк, используя его для строительства клеток и нисколько не смущаясь тем фактом, что это яд, смертельный для всего живого.

Сие фактически означает, что у нас под боком, возможно, существуют иные, непривычные формы жизни. А что же в таком случае творится на отдаленных планетах? Может, там есть жизнь, но совсем не в том виде, в каком мы ее себе представляем?

Как известно, все живые организмы строятся из шести элементов, которые красиво называют «кирпичиками мирозданья», — углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы (CHNOPS). Именно эта «великолепная шестерка», как до сих пор полагали ученые, является основой жизни.

Это казалось настолько очевидным, что рассуждать о возможности существования форм жизни на ином фундаменте считалось уделом фантастов. И все-таки среди ученых находились энтузиасты, которые брали на себя смелость задаваться вопросом: не могут ли на место кого-то из «первой шестерки» претендовать другие химические элементы?

Когда пять лет назад профессор университета Аризоны Пол Дэвис объявил, что форму жизни, отличную от той, к которой мы привыкли, следует искать в озерах, богатых мышьяком, его слова пропустили мимо ушей. А зря…

«Мы считаем эти озера отравленными, но, быть может, как раз там и развивается жизнь, у которой фосфор заменен на мышьяк», — предположил ученый и назвал в качестве главного претендента озеро Моно, расположенное в Калифорнии. Как выяснилось, Дэвис попал в десятку.

Мышьяк на закуску

Геомикробиолог Фелиса Волф-Саймон из НАСА в течение нескольких лет исследовала «мертвое» озеро и пришла к неожиданному выводу: некоторые микробы действительно чувствуют себя в нем превосходно.

Научная группа собирала ил по берегам и на дне водоема, затем образцы помещались в искусственную среду, в которой преобладали арсенаты — соли мышьяковой кислоты 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.

Дальнейшие наблюдения показали, что в такой среде культура развивалась даже на 60 процентов быстрее, чем в присутствии фосфора, который считался жизненно необходимым. Когда же колонию бактерий лишили мышьяковой подпитки, она перестала расти.

«Подсветив» раствор радиометками, биологи выяснили, что токсичный элемент используется в работе клеточных механизмов так же, как и фосфор. А раз на такое способен данный штамм, то и другие микроорганизмы в ходе эволюции вполне могли использовать подобный «рацион питания».

Микробы GFAJ-1

«Нынешнее открытие — это окно в новый, неизведанный мир и напоминание всем нам: формы жизни могут быть совершенно непредсказуемыми», — считает Фелиса Волф-Саймон. О чем говорит это открытие?

В первую очередь о том, что коль скоро неожиданное поведение микроорганизмов пусть и редко, но встречается на Земле, то космос тогда вообще может кишмя кишеть необычными формами жизни.

«Мы расширили понятие «жизнь», — заявил по этому поводу доктор Эдвард Вейлер, руководитель одной из научных программ НАСА. — Для того чтобы обнаружить ее во Вселенной, нам необходимо думать шире и разнообразнее».

Стоит, вероятно, напомнить, что в прошлом веке немецкий физик Герман Гельмгольц и его советский коллега Петр Лазарев уже думали «широко и разнообразно» и додумались до возможности развития жизни в биологических микроструктурах.

Фантаст Айзек Азимов, биохимик по профессии, приводил список из шести «химий жизни», охватывающих диапазон температур от абсолютного нуля до нескольких сот градусов по Цельсию. А академику Андрею Колмогорову вообще принадлежит мысль о возможности развития разумной формы жизни в виде плесени на камнях.

Всюду жизнь

Теоретики во многом оказались правы. Сегодня все чаще появляются сообщения об обнаружении организмов, которых с точки зрения теории о шести «кирпичах мирозданья», казалось бы, не может быть. Например, микробиологи из Национального исследовательского совета Канады и Института SETI, занимающегося изучением жизни во Вселенной, нашли уникальные анаэробные бактерии, потребляющие вместо кислорода метан.

Они выживают в экстремальных условиях канадского севера — в источнике, температура воды в котором достигает минусовых значений, но при этом настолько соленая, что не замерзает. Данное открытие, по мнению ученых, поможет в поиске признаков жизни на Марсе — ведь этот источник может быть схож с условиями, существующими на Красной планете. Некоторые исследователи полагают, что науке нисколько не противоречит возможность возникновения биосистем на основе фтора, заменяющего в органических молекулах кислород (фтор, как и кислород, является окислителем, только более сильным), или структур, в которых роль воды будут выполнять соединения азота.

Аммиак, например, на других планетах способен образовывать океаны, в то время как вода превратится в лед. Даже ядовитые цианистые соединения при определенном стечении обстоятельств могут стать заменителем H2O.

«При высоких температурах возможна жизнь, основанная на сере и фосфоре вместо азота, — говорит Алексей Топунов, доктор биологических наук, заведующий лабораторией биохимии азотфиксации и метаболизма азота Института биохимии им. А. Н. Баха РАН. — Условия для этого могут быть на планете малой массы — скажем, на Меркурии. Почти не остается сомнений в том, что во Вселенной существуют альтернативные схемы органической химии, отличающиеся от нашей».

Изучением форм жизни, в корне отличных от земных, занимается довольно молодая наука — альтернативная биохимия. Она предполагает широкие, порой почти фантастические возможности для возникновения жизни. Это могут быть не только комбинации различных химических веществ, но и, например, такое явление, как зеркальная биохимия, при которой живые организмы имеют симметричную земной биохимическую основу.

Если, скажем, на нашей планете жизнь зиждется на D-углеводах и L-аминокислотах, то в других условиях, наоборот, все основано на L-углеводах и D-аминокислотах. «Такая возможность не противоречит ни одному из известных на сегодня законов природы», — замечает Алексей Топунов.

Рисуя поражающие воображение картины «другой» жизни, ученые предупреждают уже сейчас, что контакт с представителями иных миров, построенных по альтернативным химическим формулам, может окончиться плачевно для обеих сторон.

Скажем, британский астробиолог Уильям Бейнс считает возможной жизнь на отдаленном от Солнца Титане, температура поверхности которого составляет минус 180 градусов по Цельсию, а под едкими оранжевыми облаками плещутся целые океаны жидкого метана. «Жизни требуется жидкость, — замечает Бейнс. — И если на Титане есть развитые живые организмы, их кровь должна представлять собой не водный раствор, а раствор метана.

Вся их биохимия кардинально отлична от нашей. В целом она должна быть куда более химически активной». Гость с Титана, попав в нашу комнатную температуру, вскипит, выбрасывая в воздух высокореактивные и токсичные соединения фосфора и серы.

Что уж говорить о мирах, которые, возможно, лежат за пределами нашей Вселенной! «Пока что мы фантазируем в рамках таблицы Менделеева, поскольку другой в нашем мире нет и не может быть, — говорит Николай Кардашев, академик РАН, директор Астрокосмического центра ФИАН. — Пытаясь заместить один жизненно важный элемент другим, мы и не предполагаем, что где-то за границами нашего мира могут существовать другие законы природы, иная физика, а значит, и химия совсем не такая, как у нас.

Каким-то образом попав в такой мир, мы вряд ли выживем — произойдет мгновенная аннигиляция, и нас просто не будет». Может быть, именно поэтому мы никак не встретимся с братьями по разуму и именно поэтому такой встречи ждать не стоит и в будущем. Слишком мы разные…

Мнения

Эрик Галимов, академик, директор Института геохимии и аналитической химии РАН:
—Я настаиваю на том, что жизнь возможна только на основе углерода. Это касается не только Земли, но и других планет. Только этот элемент способен создавать трехмерные структуры, обладающие необходимой эффективностью катализа и высокой репродуктивностью.

Я не вижу никаких противоречий в том, что где-то обнаружены бактерии, потребляющие вместо фосфора мышьяк или метан — вместо кислорода.

Это не сенсация, а только интересное наблюдение, говорящее о том, что колонии подобных микроорганизмов могут существовать даже на Земле. Возможно, экологи найдут способ использования этих открытий.

Однако основа жизни — это углерод, и в этом смысле все формы жизни должны быть родственны между собой. Вот если бы оправдались гипотезы, например, о кремнийорганических структурах, где кремний заместил бы углерод, это стало бы для меня большим сюрпризом. Но пока такого рода предположения — чистой воды фантастика.

Николай Юшкин, академик, член президиума Уральского отделения РАН:
— Проблема в том, что ученым пока не удалось прийти к единому мнению о сущности жизни. Где граница между живым и неживым и есть ли она?

Геохимики находят множество структур, схожих с биологическими. Скажем, глина. Между ее слоями могут уместиться различные протоорганические молекулы — от углеводородов до аминокислот. Что это — мертвая материя или зачатки биологической жизни? И то и другое.

Не случайно сюжет сотворения живых существ из глины присутствует в большинстве древних космогоний. Имеют право на существование и гипотезы о жизни, замешанной не на привычной нам углеродной, а на кремний-органической основе. Такие возможности сегодня также рассматриваются на полном серьезе.

Так, американский вулканолог Говард Шарп рассуждает о кремний-органической форме жизни, которая, по его мнению, может существовать не только на отдаленных планетах, но и на Земле.

Это цивилизация «живых» камней, эволюционирующих настолько медленно, что их динамику мы заметить не в состоянии. Обычная для них среда обитания — раскаленные недра планеты, и лишь отдельные кремниевые особи время от времени выносятся на поверхность в результате вулканической активности, застывая и становясь похожими на обычные камни.

По Шарпу, на нашей планете таковых немного, а вот в других уголках Вселенной, на планетах с раскаленной поверхностью и мощной гравитацией, они могут прекрасно себя чувствовать и даже обладать сознанием.