食砷细菌为外星生命开辟了新的可能性
透射电子显微照片显示了一种名为GFAJ-1的食砷细菌菌株。
关于地球上生命的一个基本假设可能需要修改。科学家们发现了一种以有毒砷为生的细菌，这可能为地球和其他行星上的生命开辟一条新的途径。
如果你翻阅一本生物学入门教材，你会注意到六种元素主宰着生命的化学。碳、氢、氧和氮是最常见的。之后是磷，然后是硫。大多数生物学家会告诉你，这六种元素是必不可少的；我们所知道的生活离不开它们。
然而，Felisa Wolfe-Simon最近发现了一种可以利用砷代替磷的生物，这表明生命仍然能够在根本上让我们感到惊讶。她的研究结果将发表在12月2日的《科学》杂志上。
有问题的生物体是一种细菌，GFAJ-1，由Wolfe Simon和她的同事从她和同事在加利福尼亚州莫诺湖畔收集的沉积物中培养而成。莫诺湖是高盐度和高碱性的。它也是世界上天然砷浓度最高的国家之一。
生命形式的有毒食物根据16S rRNA测序结果，在生命之树上，杆状GFAJ-1与盐单胞菌属的其他喜盐细菌共存。已知这些细菌中的许多能够耐受高水平的砷。
但是Wolfe-Simon发现GFAJ-1可以更进一步。当缺乏磷时，它可以将砷掺入DNA，并继续生长，就好像什么都没有发生一样。
“到目前为止，我们已经证明它可以在DNA中发挥作用，但看起来它也可以在许多其他生物分子中发挥作用”，美国国家航空航天局驻加利福尼亚州门洛帕克美国地质调查局研究员Wolfe Simon说。
“这是生物学史上第一次发现任何可以使用基本结构中不同元素之一的东西，”位于亚利桑那州坦佩的亚利桑那州立大学BEYOND：科学基本概念中心主任Paul Davies说。
戴维斯说，Wolfe Simon的发现“只会强化人们的信念，即生命可以在比迄今为止认为的更广泛的环境中存在”。他认为GFAF-1的发现是“微生物学一个全新领域的开始”
美国国家航空航天局天体生物学学科科学家迈克尔·纽对此表示赞同。
他说：“发现一种可以利用砷构建细胞成分的生物体，可能表明生命可以在缺乏大量可用磷的情况下形成，从而增加了在其他地方找到生命的可能性。”“这一发现扩大了我们对生命繁衍和可能起源的条件的理解，从而增加了我们对地球上生命分布和太阳系其他地方生命潜在栖息地的理解。”
如果你还没有留下深刻印象，这里有一个快速复习：
DNA分子的形状像螺旋梯。阶梯的“梯级”由成对的核苷酸组成，这些核苷酸拼写出生命的遗传指令。DNA阶梯的两侧，被称为其骨架，是由糖和磷酸分子交替组成的长链。磷酸盐分子包含五个原子：一个是磷，四个是氧。没有磷，就没有磷酸盐。没有磷酸盐，没有脊梁。没有脊梁，没有DNA。没有DNA，就没有生命。
GFAJ-1显然没有阅读手册。
当Wolfe-Simon使GFAJ-1细胞缺乏磷，同时向它们注入砷时，砷远远超过杀死大多数其他生物的砷，它生长和分裂，就好像有人给它提供了它最喜欢的零食一样。
在加利福尼亚州门洛帕克美国地质调查局Ron Oremland小组同事的帮助下，喜砷细菌Wolfe Simon已经一代又一代地生长出这些细菌。
尽管Wolfe Simon在一年多前首次采集到这些细菌以来，它们唯一能接触到的磷是原始细胞群中存在的磷，加上微小的痕迹，这些痕迹太少，无法维持持续的生长和细胞分裂，这些磷以杂质的形式存在于细胞的生长培养基中，但这些细菌仍在试管中游移，对此毫不在意。
你认为砷是毒药，对吧？对大多数生物体来说，它是毒药。砷的化学成分与磷相似，所以它可以像伪装一样潜入活细胞。但它比磷更具反应性，往往会撕裂生命的基本分子。例如DNA。
不知怎的，GFAJ-1似乎找到了克服这个问题的方法。
作为对照，给予GFAJ-1细胞的第二培养物磷而不是砷。他们也在成长和分裂。GFAJ-1似乎能够来回切换，这取决于有多少磷可用。
Wolfe Simon说：“我不知道他们是怎么做的。”
当Wolfe Simon意识到GFAJ-1在缺磷的情况下能够生长时，她开始更详细地了解其细胞内的情况。也许，她发现了一种微生物，这种微生物非但没有将砷纳入其生物结构，反而异常善于回收极其有限的磷。”
DNA是关键
标准DNA的骨架（图中的蓝色螺旋带状结构）包含一条由磷酸分子和糖分子连接的交替链。强有力的证据表明，在GFAJ-1中，磷酸盐被砷酸盐取代。
Wolfe Simon和她的同事使用了几种不同的实验技术来找到答案。
通过ICP-MS和NanoSIMS质谱法产生的数据显示了GFAJ-1细胞内各种化学元素的分布，揭示了用砷生长的细胞和用磷生长的细胞之间的明显差异。那些用砷种植的作物富含砷，但磷含量很少。在用磷生长的细胞中，情况正好相反。
通过将放射性砷引入一些微生物的生长介质中，Wolfe Simon了解到，细菌吸收的砷中约有十分之一最终进入了核酸中。
为了证实这种砷被掺入DNA，她使用了一种公认的分子生物学技术，即凝胶纯化的DNA提取，从GFAJ-1细胞中分离和浓缩DNA。
这项技术的价值在于，它确保了电池中没有其他材料进入游乐设施。对这些浓缩DNA提取物的NanoSIMS测量表明，砷确实存在于它们的DNA中。
进一步的证据来自一种名为微扩展X射线吸收精细结构光谱（µEXAFS）的技术的使用。µEXAFS可以通过探测其内部化学键在受到光束刺激时的反应来提供有关分子结构的信息。
在从缺乏磷的GFAJ-1细胞提取的DNA中，砷与氧和碳的结合方式与正常DNA中磷与氧和炭的结合方式相同。
换句话说，Wolfe-Simon所做的每一个实验都指向了相同的结论：GFAJ-1可以取代其DNA中的磷。
Wolfe Simon说：“我真的不知道另一种解释会是什么。”
对发现的怀疑
地质微生物学家Felisa Wolfe Simon在莫诺湖10英里海滩附近的浅水区收集湖底沉积物。这项研究发现了地球上一种以砷为生的生物。
但佛罗里达州盖恩斯维尔应用分子进化基金会的杰出研究员史蒂文·本纳仍然持怀疑态度。
他说，如果你“用DNA主链中的砷酸盐取代所有的磷酸盐”，“链中的每一个键都会水解，半衰期大约为几分钟，比如10分钟。”
Benner说，因此，“如果这种虫子体内有相当于DNA的砷酸盐，就必须通过一些未知的机制来严重稳定它”。
Benner认为，Wolf Simon在实验室培养物中使用的生长培养基中的微量污染物可能足以提供细胞DNA所需的磷。他认为砷更有可能被用于细胞的其他部位，例如脂质中。
Benner说：“脂质中的砷酸盐是稳定的，在水中不会分解。”他补充道，Wolfe-Simon凝胶纯化提取的砷酸DNA实际上可能是含有标准磷酸盐骨架的DNA，但砷酸盐以某种未知的方式与之相关。
GFAJ-1异常能力的发现为进一步研究提供了许多途径。一个显而易见的问题是，看看是否有其他生物可以表演类似的生化把戏。
Wolfe Simon“不太可能在第一次尝试中就发现地球上唯一的砷生命形式。所以这一定是一座非常大的冰山一角，”Davies说。
事实上，Wolfe Simon说，她已经在莫诺湖种植“大约14种其他分离物”，采用高砷无磷饮食。它们可能是她已经鉴定的同一种生物，也可能不是。“我对它们一无所知，只知道它们在类似的条件下生长。”
与此同时，Wolfe-Simon已经订购了几种先前鉴定的卤单胞菌的库存培养物，这些生物是遗传树上GFAJ-1的近亲，所有这些都是已知的耐砷生物。她计划测试它们是否也能在无磷环境中生存。
她还感兴趣的是找出GFAJ-1是否在天然状态下积极利用其掺砷能力。“你想知道，这种生物学是在环境中进行的，还是一些非常奇怪的事情，比如实验室里的帽子戏法。”
戴维斯建议，在“一个磷含量很低、砷含量很高的环境”中寻找一种需要砷才能生存的生物会很有趣，“磷会是其中的毒药。”他指出，莫诺湖“既有磷也有砷。”
这些和其他研究将有助于阐明砷在GFAJ-1和整个陆地生物学中的广泛作用。
但是，尽管一些科学家可能会对Wolfe Simon的结论保留最终判断，直到进一步的细节得到澄清，但就连Benner也承认，“如果这种生物有砷酸盐DNA，那就是一个世界级的发现。”