Что общего между фосфором и мышьяком

Подгруппа VA: фосфор, мышьяк, сурьма и висмут – основы материаловедения

Структура валентной оболочки — ns2np3 с n = 3 для фосфора, 4 для мышьяка, 5 для сурьмы, 6 для висмута. Распределение электронов по ячейкам валентной оболочки показано на рис. 2.15,а: основное состояние характеризуется тремя электронами с неспаренными спинами (p3), причем число их не будет меняться даже при переходе одного из s-электронов на p-орбиту. Таким образом, во всех указанных выше элементах этой подгруппы три связи любого атома направлены к трем другим соседним атомам, при этом образуются структуры с координационным числом Zк = 3. Физические параметры элементов этой подгруппы приведены в табл. 2.3.

Фосфор. Фосфор имеет по крайней мере пять полиморфных модификаций (белый (две модификации), красный, коричневый и черный). Лишь одна из них — черный фосфор, который образуется при повышенной температуре (≈200◦C) и повышенном давлении, — обладает полупроводниковыми свойствами. Черный фосфор — наиболее устойчивая

составляют 102◦, а один — 96,5◦. По-видимому, ковалентные связи образуются в результате частичного смешивания и перекрытия sp2-гибридных и p-орбиталей.

Мышьяк. Мышьяк также существует в трех разных модификациях (белый, серый и аморфный), из которых серая кристаллическая и аморфная модификации обладают полупроводниковыми свойствами. Термодинамически устойчивым при нормальных условиях является серый мышьяк, кристаллизующийся в ромбоэдрической решетке. Кристалл серого мышьяка имеет гофрированно-слоистую структуру (рис. 2.15,в). Ее можно представить состоящей из двухслойных пакетов, суперпозиция которых дает ромбоэдрическую структуру кристалла. Таким образом, каждый атом имеет три ближайших соседа в соседнем слое того же пакета

на расстоянии d1 = 2.52

результате перекрытия простых p3-орбиталей. Соседние пакеты связаны между собой в основном слабыми силами Ван-дер-Ваальса, однако в химической связи между соседними пакетами присутствует значительная доля металлической составляющей. Смешанный характер связей накладывает отпечаток на степень совершенства структуры и на электрические свойства: они явно анизотропны, а подвижность носителей заряда оказывается существенно ниже, чем в элементах с трехмерной ковалентной структурой.

Сурьма, висмут. Сурьма и висмут имеют ту же кристаллическую структуру, что и мышьяк. Однако с увеличением атомного номера увеличивается доля металлической составляющей связи (в обычном виде сурьма и висмут — полуметаллы). Этот факт находит свое отражение и

в кристаллической структуре: для сурьмы d1 = 2.91 A˚

разность между ними (d2 − d1) оказывается существенно меньшей, чем

в случае мышьяка. Для Bi d1 = 3.07 A˚

Bi существует различие между их структурой с относительно низкой координацией и структурами с высокой координацией, типичными для настоящих металлов.

Таким образом, закономерности изменения Eg с увеличением порядкового номера элемента в этой группе полупроводников аналогичны описанным выше для IVA подгруппы. Кроме того, видно, что химическая связь, образующаяся в подгруппе VA, оказывается заметно слабее связи, построенной на sp3-гибридных орбиталях.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Источник

Фосфор мышьяк

Горящий фосфор не только причиняет очень сильные ожоги, но и вызывает отравление тканей, прилежащих к месту ожога, вследствие чего заживление идет крайне медленно. При ожогах фосфором противоядием служит мокрая повязка, пропитанная 5% раствором медного купороса.

В связи с тем что белый фосфор легко окисляется и воспламеняется, его хранят под водой. Нужно следить за тем, чтобы в банке постоянно была вода и чтобы тем-пература в помещении, где находится белый фосфор, не спускалась ниже нуля. В противном случае вода может замерзнуть и разорвать сосуд, а потом при оттаивании вытечь и фосфор, оставшись без воды, может воспламениться.

Окисление белого фосфора на воздухе сопровождается выделением световой энергии, благодаря чему белый фосфор светится в темноте. Это свечение, в конце концов, может привести к самовоспламенению и вызвать пожар, Если в процессе реакции кусочек белого фосфора упадет на пол, его нужно найти и сжечь или поместить в банку с водой.
Красный фосфор — порошок с слабо выраженной кристаллической структурой и потому названный аморфным, темно-красного цвета, весьма гигроскопичен (легко погло-щает воду), но в воде нерастворим; нерастворим он и в сероуглероде. Плотность его 2,20. Красный фосфор получается при длительном нагревании белого фосфора без доступа воздуха при 450°. При нагревании красный фосфор возгоняется, и пары его при охлаждении превращаются в белый фосфор. Красный фосфор в отличие от белого не ядовит, запаха не имеет. Воспламеняется он при температуре 250—300°.

Фиолетовый и черный фосфор также получают из белого фосфора при высоком давлении и температуре. Черный фосфор обладает металлическим блеском, проводит тепло и электричество. Следовательно, у фосфора в весьма незначительной степени, появляются металлические свойства.
Химическая активность у разных аллотропных видоиз-менений фосфора неодинакова. Например, они имеют разную температуру воспламенения, белый фосфор светится в темноте, красный не светится.
Наличие на внешнем электронном слое фосфора 3 неспаренных р-электронов позволяет предположить, что для фосфора должно быть возможно образование трех валентных связей с другими элементами. Таковы ионные соединения с металлами — фосфиды, например фосфид магния Мg3Р2, летучее водородное соединение фосфин РН3 с полярными молекулами. Вследствие того что у фосфора сравнительно небольшая электроотрицательность, эти соединения при непосредственном синтезе образуются с большим трудом, и потому их предпочитают получать косвенным путем.

■ 50. Составьте и заполните таблицу: (См. Ответ)

Сравнение свойств белого и красного фосфора

Свойства	Белый фосфор	Красный фосфор
Плотность Цвет Температура плавления Температура воспламенения Растворимость в воде Растворимость в сероуглероде Запах Физиологическое действие Самопроизвольное свечение

Фосфористый водород РН3, или фосфин, неустойчив, может самовоспламеняться на воздухе, сильный восстановитель. Фосфин — газ, обладающий неприятным запахом гнилой рыбы. В отличие от аммиака почти не дает реакций соединения, с водой не взаимодействует. Практического значения фосфин не имеет. С элементами, обладающими большей, чем у фосфора, электроотрицательностью, фосфор реагирует очень энергично.
Если в сосуд с хлором внести красный фосфор, то через несколько секунд он самовоспламеняется в хлоре. При этом обычно получаются соединения трехвалентного фосфора. Это соединение образуется легче, чем РСl5, так как ковалентная связь в РСl3 возникает за счет не-спаренных р-электронов фосфора, а в образовании РСl5 участвуют все валентные электроны.
Взаимодействие фосфора с кислородом протекает также весьма энергично. Фосфор, предварительно подожженный на воздухе, сгорает в кислороде ослепительно ярким пламенем с образованием фосфорного ангидрида Р2О5:
4Р + 5О2 = 2Р2О5
При медленном окислении получается фосфористый ангидрид Р2О3.

■ 51. Выпишите из текста все уравнения, характеризующие свойства фосфора.

52. Какого типа химическая связь образуется в молекулах соединений фосфора с водородом, магнием, хлором, кислородом? (См. Ответ)

Свободный фосфор получают из фосфорита сплавлением с песком и углем в электропечи. Реакция протекает в две стадии:
а) Са3(РО4)2 + 3SiO2 = Р2О5 + 3CaSiО3
б) P2O5 + 5С = 2Р + 5СО
Са3(РО4)2 + 3SiО2 + 5С = 3CaSiО3 + 5СО + 2Р
На первой стадии двуокись кремния вытесняет из фосфата кальция фосфорный ангидрид. На второй стадии фосфорный ангидрид восстанавливается углем до свободного фосфора. Выделяющиеся пары фосфора охлаждают водой. В результате выделяется белый фосфор.

■ 53. Сколько фосфора можно получить промышленным путем, если в процессе реакции образуется 20 м3 окиси углерода? Сколько фосфорита будет израсходовано, если известно, что последний содержит 65% фосфата кальция?
54. Сколько фосфора можно получить из 5 m фосфата кальция, если выход фосфора равен 90% от теоретического? (Задачу решите, не применяя уравнение реакции). (См. Ответ)

В промышленности при изготовлении спичек находит применение главным образом красный фосфор. Белый фосфор начал применяться в спичечной промышленности раньше красного, в 1830 г. Такие спички легко зажигались при трении о любую поверхность, но были весьма ядовиты и вредны для здоровья, а также огнеопасны, поэтому от них вскоре отказались, заменив белый фосфор красным.
Фосфор применяется для изготовления некоторых его соединений, например фосфорного ангидрида Р2О5, фосфорной кислоты Н3РО4 и т. д.

■ 55. Что такое аллотропия и аллотропные видоизменения того или иного элемента?
66. Какие вам известны элементы, способные образовывать аллотропные видоизменения?
67. Чем объясняется различие в свойствах у разных аллотропных видоизменений одного и того же элемента? (См. Ответ)

Кислородные соединения фосфора

Наиболее устойчивой и распространенной кислотой является ортофосфорная, или просто фосфорная, кислота. Это кислота устойчивая, средней силы, нелетучая. В лаборатории фосфорная кислота хранится в виде концентрированных растворов, а в чистом виде это твердое кристаллическое вещество. Фосфорная кислота — кислота средней силы. Она значительно слабее таких сильных кислородных кислот, как серная или азотная.

Фосфорная кислота диссоциирует ступенчато:
Н3РО4 ⇄ Н + + Н2РO₄ — ⇄ 2Н + + HPO 2 ₄ — ⇄ 3Н + + PO 3 ₄ —
С водой фосфорная кислота смешивается в любых отношениях. Это кислота трехосновная, поэтому она образует три ряда солей. Соли фосфорной кислоты называются фосфатами, или ортофосфатами. Если в кислоте замещены все три атома водорода, например Ca3(PО4)2, Na3PО4, то такие соли называются средними, или трехзамещенны-ми, фосфатами. Если в кислоте замещены только два атома водорода, например Na2HPО4, CaHPО4, Fe2(HPО4)3, то такие кислые соли называются двухзамещенными фосфатами, или гидрофосфатами. Если в кислоте замещен только один атом водорода, например NaH2P04, Са(Н2РО4)2, Fe(H2PО4)3, то такие кислые соли называются однозамещенными, или дигидрофосфатами.

Образуется осадок фосфата серебра желтого цвета, который растворяется в азотной кислоте в отличие от иодида серебра.

■ 58. Составьте рассказ о кислородных соединениях фосфора по следующему плану: (См. Ответ)
1) формула высшего окисла фосфора;
2) тип химической связи между атомами в молекуле высшего окисла фосфора;
3) к какой группе окислов относится фосфорный ангидрид? Докажите это, приведя уравнения соответствующих реакций;
4) фосфорные кислоты, их формулы эмпирические и графические;
5) фосфаты, их состав и применение.
59. Напишите уравнение следующих реакций в молекулярной, полной и сокращенной ионной формах:
а) дигидрофосфат кальция + гидроксид кальция;
6) фосфат кальция + фосфорная кислота;
в) фосфат кальция + серная кислота;
г) фосфат калия + нитрат бария. (См. Ответ)

Мышьяк

а затем полученный окисел восстанавливают углеродом:
As2O3 + 3С = ЗСО + 2As
В природе в свободном виде мышьяк не встречается.
Мышьяк может быть получен в виде трех аллотропных видоизменений, из которых наиболее распространен серый мышьяк.

Серый мышьяк темно-серого цвета с металлическим блеском, нерастворим ни в воде, ни в органических растворителях, легко образует сплавы с металлами, обладает тепло- и электропроводностью. Его плотность 5,73. Все это указывает на то, что у мышьяка уже проявляются металлические свойства. Как металл он менее активен чем водород, и не вытесняет его из кислот.
Желтый мышьяк — желтое кристаллическое, легко окисляющееся вещество, довольно легко переходящее в серый мышьяк.
Черный мышьяк — аморфное вещество, переходящее при слабом нагревании в серый мышьяк — наиболее устойчивую форму.

Химические свойства мышьяка подчеркивают его амфотерность. Например, мышьяк реагирует с хлором, образуя хлорид мышьяка:
2As + 3Сl2 = 2AsCl3.
Это соль, в которой мышьяк играет роль трехвалентного металла.
При сгорании мышьяка на воздухе или в кислороде образуется мышьяковистый ангидрид:
4As + 3О2 = 2As2O3
в котором мышьяк ведет себя как кислотообразующий элемент. Мышьяковистый ангидрид имеет белый цвет и потому получил название «белого мышьяка», которое, как ясно из формулы, не соответствует составу соединения. Этот ангидрид плохо растворим в воде.

■ 60. Изобразите распределение электронов по энергетическим уровням атома мышьяка и размещение электронов на орбиталях внешнего слоя.
61. Какие аллотропные видоизменения имеет мышьяк?
62. Что такое «белый мышьяк»? (См. Ответ)

Соединения мышьяка

При растворении в воде мышьяковистого ангидрида образуется ортомышьяковистая, или мышьяковистая кислота:
As2O3 + 3Н2O = 2H3AsO3
Это слабая кислота, известная лишь в водных растворах. Мышьяковистая кислота амфотерна. Она может диссоциировать двояко:
3Н + + AsO 3 ₃ — ⇄ H3AsO3 ⇄ As3 + + 3ОН —
в щелочной среде в кислой среде
Ортомышьяковистая кислота очень легко разлагается с образованием более устойчивой метамышьяковистой кислоты:
H3AsO3 = HAsO2 + Н2O
Ортомышьяковистая кислота является хорошим восстановителем. Соли мышьяковистых кислот называются арсенитами.

Соединения мышьяка применяются при выделке кож, мехов. Особенно широко их используют в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями. В медицине мышьяк применяется в виде арсената натрия Na2HAsО4 и арсенита калия KAsО2. Мышьяк входит в состав лечебного препарата новарсенола. В качестве микроэлемента мышьяк стимулирует жизнедеятельность животных и человека и всегда содержится в незначительном количестве в моче и тканях животных и растений.
Мышьяк в свободном состоянии добавляют в некоторые сплавы для придания им твердости, устойчивости к окислению и других свойств.

■ 63. Напишите в молекулярной и ионных формах уравнения реакций мышьяковистой кислоты: а) с соляной кислотой; б) с едким натром.
64. Каково физиологическое действие соединений мышьяка?
65. Где применяются соединения мышьяка? (См. Ответ)

Источник

Мышьяк вместо фосфора — это реально!

Американские ученые сумели вырастить бактерий, которые способны жить без фосфора — одного из базовых элементов жизни. Вместо фосфора эти бактерии используют мышьяк. Мышьяк является химическим аналогом фосфора, поэтому способен подменить фосфор в биохимических реакциях, идущих внутри клетки. Результаты этого эксперимента фантастичны. Если они подтвердятся, то перед нами первый пример живого существа, изменившего репертуар жизненно необходимых элементов.

Несколько лет назад мне довелось принять участие в исследовании осадков озер, которые расположены в зоне активной вулканической деятельности на Камчатке. В одном из таких озер — озере Фумарольное (см. фумарола) — в осадках обнаружились скопления полностью фоссилизованных (окаменелых) бактерий, всё органическое вещество которых заместилось серой и мышьяком (рис. 1). Это образовались так называемые серо-мышьяковистые псевдоморфозы по бактериям. Удивляться находкам фоссилизованных бактерий не приходится, ведь известно, что бактерии фоссилизируются очень быстро, в течение одного-двух часов (если не быстрее) — был бы в воде переизбыток того или иного минерального вещества.

В случае с мышьяковистыми псевдоморфозами удивил именно материал, который участвовал в фоссилизации, — мышьяк. Ведь обычно бактерии фоссилизируются более распространенными минералами: силикатами, карбонатами; ну, железом и серой, если среда соответственная. Хотя для специалиста-геомикробиолога в арсенатных псевдоморфозах на дне вулканического озера ничего удивительного нет. Хорошо известно, что мышьяк обычно сопутствует любым рудным накоплениям цветных металлов, которые образуются, как правило, в результате вулканической активности, и потому его концентрация в этих районах может быть резко увеличена. Также хорошо известно, что мышьяк — это не тот элемент, избыток которого благоприятствует росту живого. Скорее, наоборот: мышьяк исключительно губителен для живых клеток. Так что в зоне его повышенной концентрации клетки гибнут, и их остатки быстро замещаются окружающими серой и мышьяком.

Но с этим ядовитым для клеток веществом не всё так просто. Есть ряд бактерий, которые в присутствии мышьяка не умирают и как раз приспособили его для своих нужд. Такие бактерии ухитряются восстанавливать мышьяк, используя его в дыхании как акцептор электронов (As V+ → As III+), то есть превращая арсенаты в арсениты. Так действуют анаэробные бактерии. Другие, предпочитающие аэробные условия, напротив, окисляют арсенит кислородом, превращая его в арсенат.

Помимо этих арсенофилов существует много других, способных просто нормально выживать в условиях высоких концентраций мышьяка, не используя его. Эти бактерии, да и не только они, имеют систему защиты от мышьяка, проникшего в клетку, — своего рода механизм детоксикации арсената. В клетке работает особый фермент арсенатредуктаза, превращающий арсенаты в арсениты, которые выводятся из клетки и с затратой энергии.

Это длинное вступление должно показать, что наши представления о мышьяке укладывались в несколько вполне понятных тезисов. Во-первых, если в среде концентрация мышьяка очень высока, клетка умирает, замещаясь мышьяком и другими элементами, ему сопутствующими (обычно это сера и железо). Во-вторых, при чуть более низких концентрациях некоторые клетки используют этот элемент себе на пользу в энергетических процессах — либо переходя на арсенатное дыхание, либо окисляя арсениты. В-третьих, в клетках имеются специальные ферменты для обезвреживания и выведения наружу арсенатов — смертельных двойников фосфатов.

Остается лишь добавить, что арсенаты проникают в клетку за счет той же схожести с фосфором. Те молекулы, которые осуществляют внутриклеточный транспорт фосфора, могут переправить внутрь клетки и мышьяк. У многих организмов, например у E. coli, имеется две системы, которые занимаются транспортировкой фосфора. Одна из них фосфороспецифичная и точно распознает именно фосфор, другая неспецифичная и может захватывать и фосфор, и мышьяк (см. Jackson et al., 2003, PDF, 204 Кб). Так что у тех организмов, которые помимо специфической транспортной системы используют и неспецифическую, мышьяк — если он имеется в среде — обязательно попадет в клетку.

Казалось бы, взаимодействие живого компонента планеты с этим довольно экзотичным веществом этим и ограничивается. Все факты свидетельствуют о скромных возможностях мышьяка. Но ведь ученые обладают еще и фантазией, которая ограничивается в известной степени лишь логикой. Эта фантазия может увести их далеко за фактическую основу земной жизни.

Одну из своих недавних публикаций Рональд Оремланд из Геологической службы США начал лирическим отступлением о давнем экзаменационном вопросе, не дающем ему покоя и по сей день: «Представьте себе наипримитивнейшую жизнь на Марсе. Какое геомикробиологическое явление вы бы положили в ее основу?» Оремланд считает, что, несмотря на свою грозную славу, мышьяк вполне мог бы быть одним из основных элементов внеземной жизни.

По некоторым показателям, на заре существования нашей планеты мышьяка на ее поверхности было гораздо больше, и он был способен образовывать те же соединения, что и фосфор. В щелочных условиях и в присутствии карбонатов мышьяк устойчив в восстановленной форме (As III). Так что в отсутствие кислорода он мог бы служить основой дыхания обитателей «восстановительных» планет. На Земле и в самом деле имеются такие места — щелочные пересоленные озера с очень высоким содержанием мышьяка. Там мышьяк присутствует в форме и арсената, и арсенита. Исследование таких экосистем, по мнению Оремланда, должно показать фантастические возможности форм жизни, обратить наш взгляд в самое далекое прошлое, возможно стартовавшее не на нашей планете.

Обитатели подобных озер успешно приспособились к экстремальным щелочным условиям, повышенной солености и высокой концентрации мышьяка. В самом насыщенном мышьяком озере Сирлз (Searles lake; см. рис. 2, цифра 5) со сверхвысокой соленостью вполне нормально выживает целый комплекс организмов, использующих мышьяк в своем энергетическом хозяйстве. Ниже приведена схема, на которой эти бактерии и археи собраны в филогенетическом порядке. Бактерий, как мы видим, гораздо больше, чем архей.

Оремланд полагает, что самыми примитивными, исходными, пользователями мышьяка были гетеротрофные окислители арсенита. По крайней мере, ферменты, которые задействованы у них в преобразовании мышьяка, оказываются филогенетически наиболее древними.

Но увлеченным исследователям было недостаточно показать еще одну сторону безграничных метаболических возможностей бактерий. Недостаточно доказать, что бактерии имеют и используют древнейший аппарат для взаимодействия с этой частью планетарной химии. Они решили продемонстрировать, что мышьяк, по сути ядовитый элемент, может стать составной частью основных биомолекул, сместив с позиций фосфор. Теоретически это возможно. Арсенаты постоянно встраиваются на место фосфатов в биомолекулах, но, будучи нестойкими, их соединения тут же замещаются нормальными фосфатами. В отсутствие фосфатов клетка может выработать способы увеличивать устойчивость таких арсенатных биомолекул. Так как в отсутствие фосфора заменить их будет нечем, то постепенно сформируется своего рода мышьячная химера, у которой вместо фосфора в биомолеулы встроен мышьяк.

Но способна ли клетка на подобное творчество, способны ли такие биомолекулы существовать сколько-нибудь продолжительное время, способны ли они поддерживать жизнь реального, а не гипотетического организма? Чтобы доказать эту сумасшедшую по своей сути идею, был поставлен микробиологический эксперимент. Вряд ли ученые могли всерьез надеяться на положительный результат, но эксперимент тем не менее удался. В нем участвовали 12 специалистов, представляющие 8 научных учреждений США, в том числе Аризонский государственный университет, Геологическую службу США, Институт астробиологии NASA и другие.

Сам эксперимент состоял в следующем. Донный осадок из озера Моно (Lake Mono; на рис. 2 оно под цифрой 4) поместили в пробирку со средой. Среда состояла из стандартного набора солей, витаминов, микроэлементов — за исключением фосфатов. Фосфора в раствор не добавляли. Предполагалось, что в этой среде будут размножаться бактерии, населяющие озерный осадок и, следовательно, уже адаптированные к высоким концентрациям мышьяка. Концентрацию арсенатов в течение 3 месяцев ступенчато увеличивали с 0,1 до 5 ммоль, то есть до уровня в 25 раз выше естественного для озера. При каждом новом повышении концентрации мышьяка в раствор пересевали пробу из старой пробирки и давали бактериям размножиться. Опять же, без фосфора.

Через три месяца проба из последней пробирки была перенесена на агар. И стало видно, что к этим сверхъядовитым условиям сумели приспособиться два вида бактерий, то есть выросли бактериальные колонии двух типов. Выбрали тот из них, где рост шел быстрее. Эти колонии, как оказалось, образовывала бактерия рода Halomonas. Выделенный штамм выращивали затем при разных концентрациях мышьяка без добавления фосфора, сравнив с ростом этой бактерии в нормальных условиях — без арсената, но с фосфором.

Самое удивительное, что в среде без фосфора бактерии продолжали размножаться, демонстрируя неплохие показатели роста. Средняя скорость роста, как подсчитали ученые, была всего в полтора раза ниже, чем у контролей с фосфором (0,53 сут –1 против 0,87 сут –1 : рост оценивали по оптической плотности). Самое важное, что в среде без мышьяка и без фосфора клетки не росли совсем. Здесь стоит повторить, что клетки росли в среде, в которой фосфор обнаруживался лишь в следовых количествах, находящихся далеко за пределами жизненно необходимых концентраций этого элемента. Нехватку фосфора они восполнили мышьяком, оставшись при этом вполне жизнеспособными. Эту операцию по смене ориентации с фосфорной на мышьячную они проделали всего за три месяца.

Теперь нужно было выяснить, куда всё же направлялся мышьяк, или, точнее, действительно ли мышьяк встраивался в биомолекулы. Возможно, он всё же просто накапливался в виде гранул или внутриклеточных скоплений, и ученые зафиксировали не полную химическую переориентацию, а просто начальные стадии фоссилизации. Действительно, в клетках, увеличенных примерно в 1,5 раза по сравнению с выращенными на фосфоре, имеются крупные вакуоли. Этих вакуолей в фосфорных вариантах нет.

Так что нужно было еще доказать, что мышьяк участвует в построении клетки. Для этого были предложены три рода доказательств. Во-первых, исследование распределения изотопной метки мышьяка. Во-вторых, изучение элементного состава ДНК этих организмов. В-третьих, демонстрация химической структуры соединений мышьяка, входящих в ДНК. Нужно сразу подчеркнуть, что все эти доказательства косвенные, но вместе с тем все они свидетельствуют в пользу мышьячных биомолекул.

Изотопная метка распределилась в клетке примерно так, как должен быть распределен фосфор. Десятая часть меченого изотопа связалась с нуклеиновыми кислотами, три четверти обнаружились в белковой фракции, остальное присоединилось к липидам. Ученые считают, что порядок цифр этого соотношения в принципе верный и соответствует размеру бактериального генома.

Элементный состав выделенной и очищенной ДНК мышьячного штамма также был подвергнут всестороннему изучению.

Из мышьячного штамма выделили чистую ДНК и проанализировали элементный состав. В ДНК мышьячного штамма соотношение мышьяка и углерода было примерно в два раза выше, чем у фосфорного штамма. А соотношение фосфора и углерода, напротив, существенно выше в случае с фосфорным штаммом.

Структура связей внутриклеточного мышьяка изучалась с помощью рентгенспектрометрии. Этот метод позволяет заключить, в каких позициях находится тот или иной элемент. Мышьяк мог находиться в трехвалентном состоянии, связываясь с серой, железом или кислородом, мог быть в виде арсенатов, образовавших комплексные связи с органическими молекулами, а мог оказаться встроенным вместо фосфора в молекулы ДНК. Максимумы и минимумы получившейся рефлексограммы больше всего схожи с кристаллической структурой ДНК, тогда как минеральные неорганические соединения с серой и железом совсем не похожи на получившийся график. График рефлексов органомышьячных комплексов в статье, к сожалению, не приведен. Тем не менее сходство с кристаллической структурной ДНК выглядит убедительно.

Итак, перед нами совершенно исключительная бактерия. Она растет на среде без фосфора, но если фосфор вдруг появляется, то легко переключается на утилизацию фосфора. В условиях отсутствия фосфора молекулы ДНК, РНК, NADH, ацетил-кофермент-A она строит с помощью мышьяка. Ученые предполагают, что устойчивость этим арсенатным молекулам обеспечивает среда, богатая поли-β-гидроксилбутиратом — веществом, замедляющим гидролиз соединений мышьяка. Вероятно, в вакуолях арсенатных клеток содержится именно это гидроксилбутират.

Является ли такая сверхъестественная (в буквальном смысле) лабильность метаболизма свойством выделенного штамма или же она — результат ускоренного (всего за три месяца!) нововведения, полностью изменившего биохимию бактерии. Широкий запас биохимических трюков или Эволюция? К сожалению, это неизвестно. Но так или иначе, понятно, что жизнь как явление не ограничивается скромными предложениями современной Земли. В репертуаре даже современных бактерий имеется масса удивительных и фантастических возможностей.

Это исследование настолько важно для понимания сущности жизни на нашей планете, что стоит на время придержать эмоциональный отклик, занявшись рутинной проверкой этих ошеломляющих результатов. Надо повторить исследование в нескольких независимых лабораториях, проанализировать ограничения методов исследования, чтобы не начать ненароком преждевременно праздновать победу.

Источник: Felisa Wolfe-Simon, Jodi Switzer Blum, Thomas R. Kulp, Gwyneth W. Gordon, Shelley E. Hoeft, Jennifer Pett-Ridge, John F. Stolz, Samuel M. Webb, Peter K. Weber, Paul C. W. Davies, Ariel D. Anbar, Ronald S. Oremland. A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus // Science. 2010, 2 December.

См. также:
1) Ronald S. Oremland, Chad W. Saltikov, Felisa Wolfe-Simon, John F. Stolz. Arsenic in the Evolution of Earth and Extraterrestrial Ecosystems (PDF, 1,85 Мб) // Geomicrobiology. 2009. V. 26. P. 522–536 (полный обзор всех микробиологических явлений, связанных с мышьяком).

2) Colin R. Jackson, Evelyn F. Jackson, Sandra L. Dugas, Karyn Gamble, Shawn E. Williams. Microbial transformations of arsenite and arsenate in natural environments (PDF, 204 Кб) // Recent Research Developments in Microbiology. 2003. V. 7. P. 103–118 (хорошо написанный обзор по бактериальному и абиотическому преобразованию соединений мышьяка в природе).

Источник