Zvětšit obrázek

Kalifornské Mono Lake - oblast výskytu bakterií, jejichž fotosyntéza je založena na arsenu.

Fotosyntéza
Rostliny, řasy, sinice a některé bakterie zvládají fotosyntézu.  Pohlcují světlo a dobývají z něj energii. Současně přetvářejí anorganický oxid uhličitý na organické složky svého těla a zásoby energie (konkrétně nejdříve sacharidy).

6CO₂ +12H₂O ---> C₆H₁₂O₆ +6O₂ + 6H₂O G=2826 kJ/mol

Některé bakterie ale mají zcela jinou fotosyntézu. Využívají při ní jako zdroj energie arseničnany (nazývané někdy též arsenáty). Jde o sloučeniny, ve kterých jsou na arsen navázány čtyři atomy kyslíku.  Soudilo se, že tato zvláštní forma metabolismu vznikla na Zemi až dlouho poté, co fotosyntéza vytvořila atmosféru s kyslíkem, což se stalo zhruba před 2,7 miliardami let. Uvažovalo se tak proto, protože až tehdy se přirozeně se vyskytující arsenitany (se třemi atomy kyslíku) spontánně  přeměnily na arseničnany (AsO₃´´´  ---> AsO₄´´´).
Podle této představy se bakterie „jedoucí při fotosyntéze na arsen“, měly vyvinout až dlouho po těch „normálních“ bakteriích, které nám daly kyslíkovou atmosféru.  Ronalda Oremlanda však u této představy mátl fakt, že arsenové bakterie mají poměrně hodně odlišných forem. Oremlad si se svými kolegy z US Geological Survey v Menlo Parku v Kalifornii položil otázku – pokud jsou arsen konzumující bakterie na Zemi krátce, a vyvinuly se v tak rozdílné formy, musely si předávat schopnost metabolizovat arsen mezi sebou nějakým velmi rychlým způsobem. Taková možnost rychlého si předávání informací ale existuje jen prostřednictvím takzvaného horizontálního přenosu genů. Pod tímto termínem se rozumí přivlastňování si celých částí genomu od nepříbuzné bakterie. Takový přenos umožňuje velmi rychle reagovat na podmínky životního prostředí, ale toto kupčení s cizím genetickým materiálem také zanechává na genomu stopy, které genetik pozná.

Hypotéza
Pracovní hypotéza tedy zněla – buďto si tyto bakterie schopnost se živit arsenem vzájemně kradly a potom mohou být na Zemi krátce, nebo genetická analýza vzájemného porovnávání jejich genomů ukáže, že se metabolismus těchto bakterií vyvíjel dlouho a odděleně se spoustou času na vlastní diverzifikaci.

Ronald S. Oremland: Genom nově objevených bakterií žijících v horkých pramenech s vodou bez kyslíku svědčí o jejich velmi dlouhém samostatném odděleném vývoji sahajícím až k počátkům buněčného života na Zemi.

Jedovaté svačinky
Udělat genetický rozbor nějakých bakterií požaduje mít je v čisté kultuře. Kultivovat bakterie živívích se arsenem se snadno řekne, hůř se to dělá. Oremlandovu týmu se to nakonec v laboratoři podařilo. Ukázalo se, že bakterie skutečně na arsenitanech a bez CO₂ rostly.  Zpočátku se to nedařilo. Pak se ukázalo, že problém spočíval v „krmení“ těchto zvláštních tvorů. Když se jim předhodí potravy dostatek, mají problém. Ačkoli se bez arsenu neobejdou, obžerství je pro ně stále toxické.  Oremland to komentoval slovy: „Když přijdete na vhodné dávkování a krmíte je v pravidelných intervalech, jen vzkvétají.“

Jon Lloyd, geomikrobiolog z University of Manchester: „Velmi zajímavé bude nyní zjistit, jak je arsenová fotosyntéza na Zemi rozšířena a kde a jak by se dala využít.“

Závěr genetiků
Fylogenetická analýza těchto bakterií podala svědectví, že arsenový metabolismus je prastarou formou metabolismu. Dodnes se takový zachoval u bakterií, které jsou součástí biofilmu na kamenech ve slaných loužích živených horkými prameny bez kyslíku. V této jedové polévce z arsenitanu a sirníků je život. Zvláštní život, založený na jiných principech „dýchání“. Tento život závisí na světle při kterém dochází k oxidaci arsenitanu na arseničnan a to bez přítomnosti vzdušného kyslíku. 
Bakterie o kterých je zde řeč, jsou tvorové podobní nám známým purpurovým bakteriím (Ectothiorhodospira) a cyanobakteriím, neboli sinicím (Oscillatoria).
Na rozdíl od obou jmenovaných jsou ale schopny žít v čisté kultuře jako fotosyntetické bakterie, přičemž využívají k dýchání arsen a jako dárce elektronu v procesu fotosyntézy jim slouží sirník.

Pohled do bakteriálního řídícího centra ukázal, že v něm tento kmen má předpokládané geny pro enzym reduktázu ale nemá tam geny pro oxidázu. To je další důkaz, že jde skutečně o fotosyntetizující organismy, které se obejdou bez kyslíkové atmosféry.Tato maličkost nastolila velmi vážně míněnou úvahu, že tu jde o první prokaryonta (předjaderné organismy, které již základ budoucího jádra mají v podobě jakéhosi jednoho velkého chromozomu), jež „dýchaly“ a to ještě v době, kdy na Zemi nebyl v atmosféře kyslík - činily tak prostřednictvím arsenu.

Zvětšit obrázek

Arsen milující bakterie.

Důkaz, že tu byly tyhle arzen milující potvůrky dříve zatím chybí, ale z toho se zatím zjistilo je možno tvrdit,  že arsenová fotosyntéza se vyvinula přinejmenším v tom samém čase jako ta fotosyntéza, které říkáme „ta normální“.  Čímž se zároveň takové členění ukazuje jako nesmyslné, protože co je tu normální a co nenormální, když oba typy metabolismů vznikly ve stejnou dobu.

Co z toho plyne?
Podle autora publikace Oremlanda to znamená, že se stejným, nebo s podobným mechanismem pohánějícím život, bychom se mohli setkat třeba na Marsu a nebo na Jupiterově měsíci Europa.
Nový objev ale nemusí být jen planým teoretizováním ve stylu „co bylo dříve“ a nebo zda takový život existuje na jiných planetách. Nabízí se tu i možné praktické využití. V úvahu připadá biologické, levné a dostupné odstraňování arsenu z pitné vody.  Z tohoto pohledu jsou bakterie slizovitého povlaku na kamenech ve vodě plné jedů velmi zajímavým objevem hodným dalšího výzkumu. Už proto, že trvalá expozice arsenu vede u lidí k ekzémům, alergiím, kardiovaskulárním poruchám, mutagenezi,... A jak jsme již v článku „Arzen je zákeřnější než se myslelo“ psali, naše republika oplývá nejen strdím a mlékem, ale i spoustou arsenu.

Mono Lake  - Video o jednom z nejstarších jezer v Severní Americe. Jde o jeden z nejbohatších ekosystémů na Zemi.

Pramen: Journal reference: Science, DOI: 10.1126/science.1160799