Kiedy arsen daje życie, zamiast je zabijać

Minęły zdecydowanie czasy, gdy wmawiano nam, że życie jest formą istnienia białka. Minęło zdecydowanie też powtarzanie, że życie wymaga szczególnie sprzyjających warunków, by przetrwać. Ostatnie lata to okres wręcz zmiany poglądów o 180 stopni. Teraz bardziej należałoby sobie odpowiadać nie na pytanie czy jest możliwe życie w takich warunkach, tylko do jakich warunków się ono nie jest w stanie dostosować. Oczywiście nie dotyczy to wszystkich gatunków, tylko pewnych wybranych grup, które znalazły swoje miejsce tam, gdzie inne gatunki by nie przetrwały. Weźmy np. że gatunki dostosowane do klimatu Antarktydy nie czułyby się dobrze na Saharze. Człowiek też ma określoną niszę ekologiczną w której się dobrze czuje. Ot, gdyby w pokoju w którym siedzę i piszę ten tekst zrobiło się 40 stopni, to byłoby to zdecydowanie za dużo, by się dobrze czuć. Gdyby się zrobiło 0, pewno bym drżał i nie był w stanie pisać tego tekstu. Jednakże w tych warunkach na pewno coś innego czuło by się dobrze a nawet najlepiej. Oczywiście w grę wchodzi masa czynników, może to być wilgotność (ryby wymagają praktycznie 100% wilgotności), zasolenie, zakwaszenie środowiska, obecność różnych trucizn,  poziom promieniowania UV czy radioaktywnego. Czynników jest bardzo dużo. Jedne gatunki znoszą duże zmiany, a inne mają wąski zakres tolerancji na warunki, ale za to dostosowały się do warunków, gdzie większość innych nie jest w stanie żyć. Ot, są rośliny, które rosną gdziekolwiek, a są rośliny, które rosną tylko na glebach bardzo kwaśnych, np. żurawina. Tam, gdzie taka żurawina czuje się najlepiej, większość roślin sobie nie poradzi bo jest dla nich za kwaśno. Ale nie dla niej. Lub też weźmy coś bardziej codziennego. Kiszenie ogórków lub kapusty, używamy w tym celu soli, w obecności której większość bakterii ginie lub jest mało aktywna, a bakterie kwasu mlekowego czuja się tam doskonale i pozwalają zakonserwować w ten sposób żywność. Tak samo cukier, jeśli jego stężenie jest bardzo duże, to działa on konserwująco, bo stężenie jest zabójcze dla większości organizmów. Nie oznacza to jednak, że nasza konfitura się nigdy nie zepsuje, bowiem w końcu po otwarciu dostanie się tam jakiś organizm, który w takich warunkach będzie się czuć dobrze. I co najważniejsze – nie ma praktycznie konkurencji! Znam przypadek pleśni, która rozwinęła się na roztworze siarczanu miedzi – substancji grzybobójczej. Spleśniał mi też roztwór tiosiarczanowego kompleksu srebra z domieszką żelatyny – widocznie mimo zabójczego dla większości mikroorganizmów srebra żelatyna była wystarczająco silną zachętą. To jest jedna z cech organizmów żywych, zajmowanie każdej możliwej przestrzeni. Ma to swoją rolę i cel – w przyrodzie istnieje konkurencja, organizm, który potrafi się dostosować do trudniejszych warunków i zająć nową przestrzeń życiową, wtedy nie ma konkurencji lub jest ona ograniczona mocno. No przynajmniej do czasu. Wiemy, że ryba słodkowodna nie przetrwa w słonym oceanie i na odwrót. Ale gatunki, które żyją w oceanach a rozmnażają się w wodzie słodkiej (łososie czy węgorze) musiały się dostosować do takiej zmiany warunków. Co rusz odkrywamy życie tam, gdzie jeszcze przed laty wydawało się to niemożliwe. Bo warunki w środowisku, w którym je odkryto, są zabójcze z naszej perspektywy. Dla nas i dla większości znanych organizmów. Takie dostosowanie się do ekstremalnych warunków dotyczy to głównie mikroorganizmów – małemu łatwiej się dostosować, wysokozorganizowanym strukturom wielokomórkowym jest to zdecydowanie trudniej uczynić. Odkrycia ostatnich lat dowodzą, że życie w kosmosie jest możliwe w bardzo skrajnych warunkach nawet.

Po tym przydługim wstępie pora przejść do rzeczy. Istnieją bowiem takie organizmy, które są w stanie przetrwać w roztworach kwasów, przykładem są glony i bakterie występujące w gejzerach w parku Yellowstone. Odkryto też glony rosnące na krystałach soli w Dolinie Śmierci. Jednakże czy w środowisku skażonym arsenem, możliwe jest życie? Arsen jest zabójczy dla życia. 0,1 g arszeniku (trójtlenku arsenu) zabija dorosłego człowieka. A jednak nie każdy organizm zginie w obecności arsenu. Ba! Nawet żyje w roztworze arsenianów!

W 2008 roku odkryto w Jeziorze Mono w Kaliforni i w jego gorących źródła kwitnące kultury bakterii (foto). Ze źródeł bije gorąca, mocno zasolona i zasadowa woda. I co najważniejsze – zawiera dużą ilość rozpuszczonych w niej arsenianów (III) i arsenianów (V).

W typowym procesie fotosyntezy, którą znamy ze szkoły, prowadzonej głównie w świecie roślin potrzebne są światło i woda, która staje się źródłem elektronów a proces biegnie dalej by utworzyć cząsteczkę cukru. Jednakże nasze bakterie z jeziora Mono zamiast rozbijać wodę, utleniają arseniany(III) na arseniany(V). Zyskują tym sposobem 2 elektrony, które zostają użyte dalej w procesie fotosyntezy. Tak więc z trującym arsenem bakterie sobie poradziły w ten sposób, że nauczyły się go wykorzystywać. Jest? To trudno, nauczymy się z tym żyć. I się nauczyły w fascynujący sposób. Znacznie wcześniej odkryto też już bakterie, które potrafią utleniać także utleniać arseniany i jako że w tej reakcji wydziela się trochę energii, to używają jej do napędzenia swoich procesów życiowych. Ale żeby arsen stał się czynnikiem umożliwiającym fotosyntezę? To zapewne zaskoczyło niejednego naukowca. Co więcej, przypuszcza się, że takie bakterie były na Ziemi już bardzo dawno temu, gdy panowały na niej bardzo surowe warunki, znacznie wcześniej niż pojawiły się wyżej zorganizowane organizmy wielokomórkowe.

Ok, mamy bakterie, które zatrudniły arsen w swoich prywatnych celach. Ale czy ten arsen może być czymś więcej niż tylko pośrednikiem w fotosyntezie? Czy może dawać życie? Być jego fundamentem? Dla każdej żywej komórki fundamentem są geny zakodowane w DNA. Zapewne pamiętamy ze szkoły podwójną nić w formie helisy. DNA jest wrażliwą cząsteczką – dlatego siedzi w jądrze komórkowym, gdzie jest odizolowane od reszty świata. Poza jądrem, zostałoby od razu pocięte przez obecne enzymy w środku komórki. DNA znajdujemy także w mitochondriach, ale tam także jest ono zabezpieczone przed otoczeniem błoną. DNA składa się z zasad azotowych połączonych z resztą cukrową (rybozą) zwanych nukleozydami a poszczególne nukleozydy połączone są mostkami fosforanowymi. Jednakże arsen jest pierwiastkiem z tej samej grupy co fosfor, grupa numer 15 w układzie okresowym. Zgodnie z prawem okresowości pierwiastki w danej grupie mają podobne właściwości chemiczne. Podobnie jak fosfor daje kwasy na na trzecim stopniu utlenienia (H3PO3), tak samo daje arsen (H3AsO3). Podobnie jak fosfor daje kwas fosforowy (V) H3PO4, tak arsen daje kwas arsenowy (V) H3AsO4. I tak jak jeden daje np. anion PO4(3-), tak drugi daje anion AsO4(3-). 2 lata po odkryciu bakterii w jeziorze Mono stwierdzono kolejny zaskakujący fakt – nasze bakterie nie tylko używają go do fotosyntezy, one zastąpiły nim fosfor! Jego obecność stwierdzono w białkach, tłuszczach i co najbardziej zaskakujące: w DNA (Rysunek).

Dla ludzi nauki był to szok, to zupełnie, jakby życie w zupełnie innej formie. Można powiedzieć, że nie z tej Ziemi, bo dotychczasowe życie jakie znaliśmy, oparte jest na takim DNA i takich cząsteczkach organicznych, jakie ma człowiek. Pozostaje się zastanowić, czy jeśli kiedykolwiek potwierdzimy istnienie życia poza Ziemią, to czy będą to formy oparte na takich samych cząsteczkach i pierwiastkach jakie dotąd znaliśmy, czy może będą mieć inaczej zorganizowane DNA i inne cząsteczki? Ale ochłońmy trochę. Świat nauki, który nagle został postawiony na głowie, przyjął tę wiadomość bardzo sceptycznie, jak wszystko co zaburzyło ustalony już porządek. Wielu naukowców zostało wyśmianych i wyrzuconych z pracy, gdy odkrywali coś, co naruszało podwaliny ówczesnej wiedzy o świecie. Nauka bowiem jest dość konserwatywna i nie lubi nagłych zmian, przecież na tym ustalonym porządku rzeczy nauka rozwijała się nadal, a nagle pojawia się ktoś, kto podważa dorobek całej reszty? Wyśmiany został William Harvey, odkrywca roli układu krwionośnego. Okrzyknięty przez naukę i prasę „człowiekiem pozbawionym rozumu” i pozbawiony pracy w XIX stuleciu został Konrad Sprangel, odkrywca mechanizmu rozmnażania roślin nasiennych przy współudziale owadów. Wyśmiany i usunięty z wykładu został Alfred Wegener, autor teorii dryfu kontynentów. Trzeba było długich lat, by świat nauki przyjął, że był w błędzie. Kto wie, być może jeszcze autorzy teorii o możliwym zastąpieniu fosforanów w związkach organicznych przez arseniany jeszcze zostaną docenieni przez świat nauki. W każdym razie nasze bakterie odegrały swoją rolę w świecie nauki – pokazały, że jest możliwa fotosynteza z użyciem toksycznych arsenianów. Dla tych bakterii w środowisku ich życia arsen jest bardziej dostępny niż fosfor. Nie wiemy dokładnie, co zmyliło naukowców, że wysuneli tak odważne twierdzenie. Aa może jednak się okaże, że nie zmyliło? Czas pokaże. Jak mawia pewien znany mi wiekowy profesor, w nauce nie używamy dwóch słów: „wszystko” i „nigdy”.

A tymczasem ostatnio odkryto bakterie „przeżuwające” tlenki metali ziem rzadkich w osadach wulkanicznych we Włoszech oraz, że w warunkach beztlenowych żelazo może zastępować magnez związany z RNA. Ta druga informacja ma znaczenie dodatkowo takie, że istnieją teorie, że chemizm organizmów żywych był niegdyś inny i nieco inne niż dzisiaj pierwiastki spełniały te same role w procesach życiowych. Historia nauki pokazuje, że jeszcze wiele przed nami, zanim w pełni zrozumiemy świat. I że musimy być gotowi na rewolucyjne odkrycia. Życie bowiem jest bardziej fascynujące niż nam wielu się wydaje. Potrafi się dostosować, ewoluować, nawet jeśli są to bardzo proste organizmy, ale przecież żywe! Naukowcy mówią, że jest adaptatywne. Gdzie jeszcze odkryjemy życie kwitnące w sposób, który nas zaskoczy? Czas pokaże.

CZY TEN ARTYKUŁ OKAZAŁ SIĘ POMOCNY? MASZ DODATKOWE SUGESTIE ALBO PYTANIA? NAPISZ DO NAS! A MOŻE CHCESZ TEŻ O CZYMŚ NAPISAĆ I OPUBLIKOWAĆ? DOŁĄCZ DO NAS! REDAKCJA@BIOMIST.PL