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南方周末：“食砷”细菌颠覆了什么 |
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断言生命“必需元素”不再必需可能为时尚早 |
西蒙博士从莫诺湖湖底的沉积物中分离到了食砷细菌。
在不含磷的培养基上生长的GFAJ-1（左图），形态要明显较对照组（右图）大。
砷元素能够替代生命“必需元素”———磷元素，这一发现在科学上还属首次。但是有科学家指出，这只是“微生物对于有毒物质的一种反应”。它仅仅是极端微生物对恶劣环境的适应。
12月2日，美国《科学快讯》刊发了美国宇航局（NASA）天体生物学家费丽莎·乌尔夫-西蒙（Felisa Wolfe-Simon）博士的研究论文———“一种能够利用砷替代磷生长的细菌”。此次发现的“食砷”细菌GFAJ-1能在不含磷元素的培养基上，利用砷元素生长。而且菌株GFAJ-1体内的生物大分子中也含有砷元素，这就说明对于生命体而言，磷元素能够被砷元素替代；同时也预示着，生命的“必需元素”不再是“必需”。
当日的《自然》杂志和次日的《科学》杂志都对此项发现进行了报道。“食砷”细菌的发现，不仅颠覆了科学上对生命“必需元素”的定义，且引发了公众对外空生命的无尽遐想。由于研究机构是致力于探索外空生命的美国宇航局，该消息一度被误传为“NASA发现外空生命”，甚至白宫的官员都为此致电NASA核实事情真相。为此，NASA的专家不得不反复重申：此次发现的“食砷”细菌是在地球上首次发现，而并非是传言的外空生命。
含砷量最高的湖泊
“食砷”菌GFAJ-1的发现地是位于美国南加州优胜美地（Yosemite）国家公园的莫诺湖（MonoLake）。“优胜美地”是号称全美最漂亮的国家公园，而其中的莫诺湖更是以其特有的“石灰华”（tufa）景观而著称。在平静的湖面上冒出数个“石灰华”，看起来宛若梦幻般的仙境。据说，在这里即使是傻瓜照相机也能拍出美妙的图片。因此，莫诺湖也被称为“摄影家的天堂”。
但是，吸引西蒙博士来此进行研究的却不是这里旖旎的风景，而是莫诺湖独特的自然环境。莫诺湖由于没有自然出口，长期的蒸发使得湖水的渗透压很高。这里湖水的pH值高达10，盐度更是海水的两倍。加之，莫诺湖是北美最古老的内陆湖。在这里特有的生存环境下，可能还蕴含着地球上最古老的生命形式。
更为重要的是，莫诺湖也许是地球上含砷量最高的湖泊。这里湖水的砷含量高达200uM。在此生长的微生物势必能够耐受高浓度的砷元素。而它们正是西蒙博士苦苦寻觅的“嗜砷”（loving-arsenic）细菌。
西蒙博士和她的团队从2009年就开始在莫诺湖湖底的沉积物中分离天然微生物，并在培养基中不断提高砷元素的浓度。最终筛选到了能耐受较高砷浓度的“嗜砷”细菌GFAJ-1。
从恶劣环境中分离极端微生物，这在科学上不是新鲜事。但是，当培养基中去除了磷元素后，西蒙博士惊奇地发现，菌株GFAJ-1在完全不含磷元素的培养基中也能生长。随后的研究进一步表明，GFAJ-1是利用了砷元素替代磷元素去合成生物大分子，行使生理功能。
一株平常的“嗜砷”（loving-arsenic）细菌竟然还是“食砷”（eating-arsenic）细菌。此发现改变了此前科学界对于生命“必需元素”的认识。同时，这也预示着此前在人们所自认为的“生命禁区”中，可能还存在没有发现的生命形式。因此，NASA在新闻发布会上就指出，“该研究成果或将改变需找外空生命的策略”。
性情相近的“兄弟”元素
长期以来，碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、硫（S）被认为是形成生命体的“必需元素”。缺乏其中的任意元素，蛋白、核酸、糖类、脂类等生物大分子都无法合成。从最简单的单细胞细菌到分化复杂的高等生物，生命“必需元素”对于生命体而言绝对是“必须的”。英文中六种生命必需元素的缩写，常常连起来组成了专用称谓“CHONPS”。但是，“食砷”细菌的发现，至少已经就将磷元素从“CHONPS”的名单中划出。
而此前，磷元素普遍被认为是不可或缺的“必需元素”。磷在生命体中主要以磷酸根（PO43-）的形式存在。磷酸二酯键维系着核酸（DNA，RNA）的基本结构。磷脂双分子层是“生物膜”重要组成部分，借助后者细胞才能选择性地“吐故纳新”。而三磷酸腺苷（ATP）更是被称为细胞的“能量货币”，细胞通过合成和水解其中的“高能磷酸键”去贮存和释放能量。
因此，对于生命体而言，从分子结构到细胞功能，从新陈代谢到能量转化，磷元素都是不可替代的。磷元素对于生命如此重要，早在1987年《科学》杂志就刊出名为“自然界为什么会选择磷”的文章，对磷元素的重要性进行详尽阐述。
与“生命必需元素”———磷相比，同为氮族元素砷却常常与“重金属中毒”联系起来。三氧化二砷更是剧毒的砒霜。然而，若从化学性质的角度说，砷和磷却是性情相似的“兄弟”。
在化学元素表上，砷元素与磷元素同属氮族元素。二者化学性质相似。砷与磷具有接近的原子半径，也同样带有相同的负电荷。而且，它们在自然界的存在形式更是大同小异。砷元素多以砷酸根（AsO43-）的形式存在，它与磷酸根（PO43-）具有相同的酸碱度（pH）和氧化还原电位。唯一不同的地方是，砷的分子量更大，化学性质也相对活泼。与磷相比，砷元素更具“金属性”。
正是由于磷元素与砷元素的相似性，细胞内部的代谢途径常常不能区分二者。当细胞摄入砷后，砷会进入磷的代谢途径。而砷的“金属性”，又使其在水环境内极不稳定。过短的半衰期导致其不能行使磷元素的生理功能，最终导致了砷元素的中毒。
听起来像饮鸩止渴？
当微生物的生长环境中没有磷时，它是否能够通过摄入砷来替代磷呢？这听起来有点像饮鸩止渴的故事。但是西蒙博士却不这么认为。
据《新科学家》2008年报道，西蒙博士尚在哈佛大学攻读博士后期间，就注意到了砷与磷的相似性。她认为，在地球上生命形成的早期，由于火山爆发等原因，砷元素会溶解在水中。此时，尚没有足够的微生物从岩石中分解到磷。那么，早期的生命很可能是，依靠砷来合成DNA等生物大分子。
西蒙博士的观点发表在当年的《国际天体生物学》，并以“自然界是否也选择了砷？”为题。与上文提及的经典文章———“自然界为什么会选择磷”遥相呼应。
在生物体内，任何元素的替代都导致分子结构、代谢途径的改变。虽然，此前也有报道：作为“酶”的辅基，有些金属是在生理功能上可以互换的。比如，在低等的节肢动物体内，金属元素铜可以替代铁成为氧载体的辅基。但是这些“替换”仅仅局限在生物体内“微量元素”。而对于含量占到生物质干重近百分之一的磷元素来说，它被其他元素替代，这在科学上是难以想象的。
但是两年后，西蒙博士利用了放射性元素示踪、两种质谱技术（二次离子质谱、X射线）等方法研究，结果“表明”：“食砷”细菌GFAJ-1的DNA等生物大分子中含有砷元素，而且同时其体内的磷元素在细胞干重中的含量，也由百分之一降为千分之一。这就预示着，在“食砷”菌细胞内部，砷元素已经开始替代磷元素。
尚未解开的疑惑
莫诺湖中存在某些极端微生物能够降解砷元素，这在本世纪初就已经发现。但是，砷元素能够替代生命“必需元素”———磷元素，这一发现在科学上还属首次。12月3日的《科学》杂志刊出的标题为“毒药？却能合成DNA”，科学界对于此发现的惊奇之情，已经跃然纸上。同期的《自然》杂志也刊出文章“食砷细菌或将改变生命体的化学定义”。文章断言：“食砷”细菌GFAJ-1不仅将磷元素从“CHONPS”的名单中划掉，而且，改变了人们对生命“必需元素”的已有认识。甚至，“食砷细菌”GFAJ-1也有了另外一个名号“砷基生命”（arsenic-basedlife）。
西蒙博士的研究虽然震惊世人，但是研究过程中发现的许多现象都未曾解释。比如，GFAJ-1菌株在含砷不含磷的培养基上生长，其生长速率降为对照的60%，细胞形态明显变大，存在类似“液泡”的细胞结构。这些现象肯定与砷、磷两种元素的替换有关，但是细胞内部究竟发生了什么，人们不得而知。
之后，科学界对此研究进行了深入的讨论。随之，也不断有科学家开始对“砷基生命”提出异议。12月9日的《自然》杂志就集中刊登了科学界对此项研究的质疑。
首先，论文在细节上误导了公众。论文中所提及不含磷的培养基，实际上也含有“痕量”的磷。另外，结论中使用的“表明”（suggest）一词，而非“证明”（prove）。这是源于目前的检测手段不能直接或完全证明，砷元素已经构成DNA等生物大分子。要想证明这一点，需要利用“靶向质谱”技术进一步确证。
更为重要的是，与磷元素相比，砷元素更为活泼。在细胞内的水环境中，半衰期很短的砷元素如何维持生物大分子的稳定结构呢？有科学家形象地将此比喻成，“用锡箔去连接不锈钢链条”。以此来形容，脆弱的砷酸键难以承载起DNA的物理结构。
对于该发现的真正意义，也许正如12月9日《自然》杂志所刊文章的题目所言，这只是“微生物对于有毒物质的一种反应”。它仅仅是极端微生物对恶劣环境的适应。就此颠覆生命“必需元素”的概念，为时尚早。谈及“砷基生命”更是有些夸大、哗众。
对于这些以上质疑，西蒙博士除了向《科学》杂志补充了部分试验数据外，并未直接回答以上质疑。但是此前，她也坦言，研究仅仅开始，“弄清一切也许要再花上三十年的时间”。
近期，西蒙博士将赴阿根廷，在那里特有的“高砷低磷”的环境中，继续她的研究。
作为“边缘生命”的极端微生物，可以说一直都在挑战人类关于生命现象的有限认识。极端微生物不断刷新的生存纪录也在暗示人们，在地球上还存在一个未曾被发现的“影子生物圈”。研究极端微生物，或许可以为探索外空生命提供线索。这也是NASA为什么一直热衷研究“极端微生物”的原因。
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