Bakterien wurden im toten Wasser eines kalifornischen Sees gefunden, reich an Arsen, giftig für alle Lebewesen. Sie fühlen sich hier nicht nur wohl, sondern nutzen Arsen auch bei den wichtigsten physiologischen Prozessen. Sie haben eine andere Biochemie. Sie sind Fremde.
Mono-Salzsee
Bisher war es schwer zu argumentieren, dass alle lebenden Organismen nicht nur Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel, sondern auch Phosphor benötigen – all diese Elemente bilden Proteine und Nukleinsäuren. Der gleiche Phosphor in Form von Phosphat bildet das „Rückgrat“von DNA- und RNA-Strängen, ist Bestandteil der Phospholipide der Zellmembran, ist Bestandteil des universellen Energieträgers, des ATP-Moleküls, und so weiter. Mit einem Wort, ohne Phosphor war noch immer keine Lebensform vorstellbar, vom Virus bis zum Stellvertreter, besonders auf der Erde.
Revolutionärer ist die Entdeckung der Amerikanerin Felisa Wolfe-Simon und ihrer Kollegen, die herausfanden, dass Vertreter der zur Gruppe der Proteobakterien gehörenden Familie der Halomonadaceae vollständig auf Phosphor verzichten und dessen Rolle in ihren Zellen spielen giftig für gewöhnliche lebende Organismen Arsen. Aus der Liste der lebensnotwendigen Elemente am Anfang des Artikels, wie wir sie kennen, kann Phosphor grundsätzlich gestrichen werden.
Andere Lebensformen, die andere ähnliche Elemente anstelle bekannter Elemente verwenden (z. B. Silizium statt Kohlenstoff), waren uns bisher nur aus Science-Fiction bekannt. Jetzt gibt es einen echten Organismus - wenn auch äußerlich völlig unprätentiös, aber tatsächlich ist er einfach erstaunlich.
Arsen steht im Periodensystem direkt unter Phosphor und ist in seinen chemischen Eigenschaften sehr nah beieinander. Beispielsweise bildet es Analoga von Phosphorsäuresalzen (Phosphaten) - Arsensäuresalzen, Arsenaten (AsO43-) mit derselben tetraedrischen Raumstruktur. Die Ähnlichkeit der Elemente ist so groß, dass Arsenate in der Lage sind, in eine gewöhnliche lebende Zelle auf den Wegen einzudringen, die normalerweise für den Transport von Phosphaten verwendet werden – was zur Toxizität von Arsenverbindungen beiträgt.
Aus all dem können wir schließen, dass, wenn wir die Frage nach der Toxizität von Arsen verwerfen, es prinzipiell die gleiche Rolle in den biochemischen Prozessen der Zelle spielen könnte wie Phosphor. Und gegen die toxischen Wirkungen seiner lebenden Organismen können durchaus Schutzmittel entwickelt werden. Vor diesem Hintergrund machten sich Wolf-Simon und ihr Team daran, die Gewässer des Mono-Salzsees in Zentralkalifornien zu durchsuchen. Dieses Reservoir ist in einigen Gebieten durch relativ hohe Arsenmengen gekennzeichnet, die aus Mineralien stammen, die es enth alten und aus den Bergen rund um den See ausgewaschen wurden.
Wissenschaftler sammelten Schlickproben und kultivierten sie in einem künstlichen Nährmedium anstelle des üblichen phosphath altigen Arsenats. Allmählich stellten sie durch eine Reihe von Verdünnungen sicher, dass überhaupt keine Phosphate mehr im Medium zurückblieben – und unter solchen Bedingungen stellte sich heraus, dass sich eine Mikrobenart großartig fühlte, aktiv wuchs und sich teilte.
Es ist Zeit für die nächste Phase der Experimente. Arsenat wurde dem Nährmedium mit radioaktiven Isotopen zugesetzt, um dessen weiteren Verbleib in der Zelle zu verfolgen. Es stellte sich heraus, dass es in zellulären Proteinen und Lipiden, in Metaboliten wie ATP sowie in Nukleinsäuren – die in diesem Fall nicht ganz korrekt Nukleinsäuren heißen – vorkommt, wobei die Mengen an Arsenat genau dem gezeichneten Bild entsprachen oben: als ob Arsen in den entsprechenden Verbindungen einfach Phosphor ersetzt hätte.
Zusätzliche Studien haben bestätigt, dass Arsen in diesen Mikroben in Form von Arsenat vorkommt, dass es die gleichen Bindungen mit Sauerstoff und Kohlenstoffatomen eingeht wie Phosphat in gewöhnlichen Organismen, einschließlich in der DNA. Grundsätzlich bestätigt keines der durchgeführten Experimente abschließend die Hypothese, dass Arsen die gleiche Rolle spielt wie Phosphor normalerweise. Aber die Masse der Indizienbeweise ist ziemlich groß - zum Beispiel bemerkte die unabhängige Forscherin Mary Voytek (Mary Voytek), dass "die erh altenen Daten äußerst schwierig sind, eine andere Erklärung zu geben."
Um jedoch wirklich genau und konsequent zu sein, müssen Wissenschaftler noch das Vorhandensein von Arsenat nicht nur in der Zelle selbst, sondern auch in bestimmten Biomolekülen und in bestimmten Funktionen nachweisen – sagen wir, in derselben DNA, die sie bildet „Rückgrat“. Außerdem muss nachgewiesen werden, dass diese Moleküle ihre Struktur, Aktivität und Funktionalität beibeh alten.
Nehmen wir zur Veranschaulichung dasselbe ATP-Molekül, in dem drei Phosphate durch Arsenate ersetzt sind. Wird es wie normales ATP als effizienter Energieträger dienen? Wird es, wie es für eine Reihe von Reaktionen notwendig ist, an Glukose binden? Und so weiter und so fort. Mit einem Wort, es ist notwendig, alle Details und Folgen dieser radikalen Substitution eines Elements durch ein anderes zu verstehen.
Außerdem sind Arsen und Phosphor, obwohl ähnlich, nicht identisch. In wässriger Umgebung bildet Arsenat deutlich weniger stabile Bindungen als Phosphat, die sich innerhalb von Minuten auflösen. Daher ist es möglich, dass Organismen, die sie verwenden, zusätzliche Mittel benötigen, um diese Bindungen zu stabilisieren. Was das Bild weiter verkompliziert, aber auch noch erstaunlicher macht. Felisa Wolf-Simon selbst stimmt zu: „Wir werden dreißig Jahre brauchen, um herauszufinden, was passiert.“
Übrigens könnten sich einige lebende Organismen theoretisch als noch unähnlicher erweisen – anders als alles, was wir uns vorstellen können. Lesen Sie: Korkenzieher züchten.
