Торжество разума над мышьяком

Сообщение об открытии гамма-протеобактерий GFAJ-1 семейства Halomonadaceae в прошлую пятницу всколыхнуло не только научную среду, но и общественно-политические средства массовой информации. Достаточно сказать, что за неполную неделю в интернете появилось несколько сот тысяч ссылок, индексируемых Google при введении названия бактерии в качестве ключевого слова. Без сомнения фундаментальное, открытие в одночасье прославило автора, астробиолога Фелису Вольфе-Симон, и дало пищу для размышлений и дискуссий самым разным людям. Обыватели бросились вспоминать школьную биологию, периодический закон Менделеева и строение ДНК. Астробиологи и энтузиасты поисков внеземной жизни с новыми силами принялись изучать звездное небо и определять состав далеких планет по спектрам. Креационисты бросились искать объяснение такому коварному проявлению спонтанности возникновения жизни, как мышьяковые биомолекулы. Теоретики науки дебатируют о том, можно ли считать найденные бактерии «новой жизнью» или это всего лишь еще одно проявление бесконечно разнообразной и способной приспосабливаться к жизни в самых суровых условиях «старой жизни».

В пылу дебатов не многие прислушиваются к истории исследования, которую его авторы рассказали на пресс-конференции непосредственно перед обнародованием работы журналом Science. А между тем эта история представляет собой образец почти методологически идеального исследования.

Вольфе-Симон прошла со своей тематикой полный путь от нуля до единицы – от генерирования почти абстрактной, немного фантастической (как любое революционное открытие) идеи до ее воплощения – направленного, методически выверенного.

Вся работа обязана своим успехом не счастливому случаю, а последовательному поэтапному выполнению четко сформулированных задач.

Идея о том, что жизнь (если ее определять как существование открытых саморегулирующихся и самовоспроизводящихся систем без привязки к белковому строению) может существовать на базе совершенно неожиданных химических элементов, не так уж нова. Напомним, что биомолекулы земных организмов состоят из шести элементов – водород, углерод, кислород, азот, фосфор и сера (исключение составляют сложные белковые металлокомплексы, такие как гемоглобин). Первые четыре элемента – стандартные строительные «кирпичики», на них приходится большая часть атомов биомолекул. Фосфор в виде фосфата содержится в ДНК и РНК, носителях генетической информации, а также АТФ и АДФ – важнейших контейнерах и переносчиках энергии фотосинтезирующих растений, а сера содержится в некоторых аминокислотах и отвечает за формирование третичной структуры белка. В качестве среды живые клетки используют воду.

Астробиологи уже предлагали «метановую» жизнь, которая якобы существует на спутнике Сатурна Титане (такие выводы были сделаны на основе особенностей состава атмосферы этого небесного тела).

Кроме того, под твердой «корой» Титана, как показали данные миссии Cassini-Huygens, течет океан из аммиака, в котором, быть может, существует аммиачная жизнь?

Однако широкое предположение о существовании «другой жизни» не дает возможности системного продвижения в сторону ее обнаружения: слишком общая формулировка не дает понять, что же все-таки нужно искать. И здесь на помощь пришла гениальная догадка: давайте поищем «новую жизнь», максимально похожую на старую. Заменить водород, углерод, азот и кислород в органических соединениях не представляется возможным: уж слишком уникальны и неповторимы свойства этих легких элементов (они находятся в первом периоде таблицы Менделеева). А вот во втором-третьем периоде периодичность свойств проявляется уже более четко. Можно попытаться «заменить» серу на селен либо фосфор на мышьяк. Однако селен сам по себе является важным микроэлементом (в человеческом организме) и не всегда способен заместить серу. Мышьяк, ядовитость которого известна еще по средневековым романам, напротив, охотно внедряется на место своего более легкого «коллеги» (отсюда и токсичность).

Итак, искать следует «жизнь на мышьяке» – именно с ее теоретического предсказания началась работа. Отсюда следует, где ее следует искать – конечно же, в средах, богатых мышьяком! Таким образом, поиски «новой жизни» начались в озере Моно в Калифорнии – и, что характерно, именно там были найдены прославившиеся на весь мир бактерии GFAJ-1.

Это классический путь научного исследования – гипотеза, прогноз, проверка, подтверждение.

Однако наука, большая и маленькая, следует этому пути отнюдь не всегда. Часто теория подводится под полученные экспериментальные факты: они попросту противоречат предложенной «предсказательной» теории. Кроме того, даже «большие» нобелевские открытия часто происходят совершенно случайно. Александр Флеминг, первооткрыватель пенициллина (Нобелевская премия по физиологии и медицине 1945 года), посетив оснащенную по последнему слову техники стерильную лабораторию, с усмешкой заметил, что в таких условиях никогда не создал бы антибиотика из плесени! Одним из первых этапов создания проводящих полимеров (Алан Хигер, Алан Мак-Диармид, Хидеки Сиракава, Нобелевская премия по химии 2000 года) стала банальная ошибка молодого сотрудника. Проводя полимеризацию ацетилена, он добавил мольные количества металлосодержащего катализатора Циглера – Натта вместо миллимольных (на три порядка больше). Так появился металлоподобный материал.

Со временем, однако,

«счастливых случаев» в науке становится все меньше.

Виной тому неизбежное усложнение процесса научного производства. Если ошибка в проведении одностадийных реакции или процесса может привести к нежелательному, но интересному продукту, то ошибка (или технологический недочет) на одной из первых стадий многостадийного исследования, скорее всего, погубит работу. Фундаментальный научный результат – открытие бактерий, использующих мышьяк вместо фосфора, полученный в результате последовательного системного исследования, – является в своем роде моделью будущих научный открытий.