單砷酸腺苷

NASA又開發布會了！這次還指明了是與太空生物學(Astrobiology)有關，其實說的是發現了一種地球上的細菌，它某種程度上說是一種“砷基生命”。不過，這的確改變了我們對生命的根本認識，足以讓科幻迷和外星生命熱愛者歡呼雀躍。

基本介紹

• 中文名：單砷酸腺苷
• 外文名：exceptional
• 有關：太空生物學
• 遺傳物質基礎：DNA

“砷基生命”

今年年底“NASA開發布會”似乎注定會成為一個成語典故，台北時間2010年12月3日凌晨3:00，NASA在它的華盛頓總部又一次公布了一個“震撼世界”（其實原文是exceptional，非凡的）的訊息：我們在地球上，確切地說是在美國加州的莫諾湖（MonoLake，題圖），發現了對太空生物學很重要的東西：一種exceptional的細菌，我們姑且可以稱它“砷基生命”。

莫諾湖的湖水鹽度和鹼度極高，也是世界上的天然水體裡砷含量最高地方的之一，這種極端的生境造就了不少耐受極端環境的生物。而由NASA贊助的科學家FelisaWolfe-Simon在湖底發現並在實驗室成功培育的GFAJ-1菌株——屬於變形菌門（Proteobacteria），比單純耐受環境更向前走了一步，它利用本該忍受的物質作為自身生命的基礎：對大多數生物有毒的砷，被它用來作為磷的替代物成為細胞的基本元素。

Felisa成功用砷培養出的GFAJ-1菌株，放射性同位素標記證實了它們用砷組成自身（NASA）

如此看來，GFAJ-1確實是地球生命中的另類，但這和NASA所說的太空生物學有什麼關係？GFAJ-1的exceptional之處在於，它第一個證實了生命必需的元素可以替代的想法，因此，那些過去被描述為“不適合生命”的外星環境，也許需要重新審視，它們也許實際上對於當地的生命來說是一片沃土。

被推翻的生命的基本元素

CHONPS，看起來熟悉嗎？這不是一個單詞，這是中學生物課本上讓我們背誦的生命的六大基本元素：碳、氫、氧、氮、磷、硫，它們一起組成了生物體所需的各大物質：核酸、蛋白質、糖類、脂類。其實對於這六位，我們也許早就想過“彼可取而代也”：我們在各種科幻作品中看見過多次“矽基生命”這個詞：在元素周期表上碳下面一行的矽，取代碳成為生命的基石。不過，被科學首先證實的類似取代，卻發生在了排在第五位的磷而不是碳身上，我們猜到了開頭，卻沒有猜到結局。

生命中的作用

作為遺傳物質基礎的DNA，大名是脫氧核糖核酸，而它的基本組成單位就是一分子磷酸連著一分子五個碳原子的糖，再加上一個鹼基。好吧，我在說什麼，化學都還給老師了不要緊，請看下圖：一段解開的DNA雙螺旋，重要的是DNA的兩根長鏈就是用紅圈中磷酸分子連線起來的。

DNA的一段，雙鏈通過中間的鹼基對結合在一起，紅圈標出了磷酸作為長鏈骨架的重要位置

續回憶中學生物，負責轉錄遺傳密碼並把它們翻譯成蛋白質的RNA，不論它是信使、轉錄的密碼、還是作為蛋白質工廠的核糖體，它的單鏈結構和DNA差不多，也是磷酸作為基本骨架連線起來的。

也許有相當一部分人還記得ATP的大名，生物界通用的“能量貨幣”，它的全名叫做三磷酸腺苷。另外，可能還有人記得組成細胞膜的是磷脂雙分子層，光合磷酸化和氧化磷酸化反應，以及各種磷酸的激酶（如果大家真的都記得，小編內牛滿面）……

因此，如果新的研究告訴你課本上這些磷字都可以換成砷，紅圈圈和ATP中的P都可以寫成As，科學家們要內牛滿面了，你懂得吧。

砷取代了磷

為什麼不是矽取代了碳？簡單而直接的原因是，GFAJ-1菌株是在一個砷很多而磷很少的湖裡被發現的。

不過，我們也可以放在整個地球這樣的大環境中來考慮這個問題：碳在大氣中以二氧化碳，甚至在生命誕生初期以甲烷的形式無處不在，而且石灰岩中的碳酸鹽也是隨處可見，矽雖然以二氧化矽的形式廣泛存在於岩石中，但它們的化學性質很不活躍，難以被大部分生物利用。

而磷的情況怎么樣呢？磷幾乎不存在於大氣和水中，天然的磷單質也不存在（因為大家都知道的“自燃”），地球上的磷主要儲存在磷酸鹽礦石中。而磷酸鹽的化學性質很穩定，這也是為什麼我們的骨骼有磷酸鈣的成分，因為磷酸鈣實在是很結實。這種結實的物質需要生物們費很大力氣和很多時間才能把它用到參與生命過程的反應中去，因此地球上有很多地方容易出現因為磷而“飢餓”的生態系統。

元素周期表里排在磷下面的砷，同樣也主要存在於礦石中，不過砷也有天然的單質，它並不比磷更難利用，甚至在一些地方比磷更豐富——比如莫諾湖。其實砷之所以有毒，就是因為它太容易被生物錯用：砷作為和磷類似的物質，時常參與到生物的新陳代謝中，常溫下的試管里，AMP（單磷酸腺苷，比ATP少兩個磷酸的東西，RNA的基本單元之一）需要酶促反應才能生成，而AMAs（單砷酸腺苷）很容易自動生成。因為由砷組成的物質干擾了本該由磷來參與的生命過程，所以它有毒，著名的毒藥比如砒霜，即三氧化二砷。

通常條件下，為什麼能不接受砷作為前面說到的那些很重要的生命物質的組分呢？因為常溫下，砷的化合物不如磷的化合物穩定，如果DNA分子裡面有砷酸用作連線物，DNA鏈就很容易從砷酸那裡斷裂。可是，GFAJ-1菌株，作為一種罕見的嗜極生物，做到了把砷安全地利用起來：它也許並沒有把細胞中的磷全部替換為砷，但它們含有砷酸的DNA甚至扛住了實驗室提取的一系列過程，在對基因組進行詳細分析之前，我們暫時還不知道它們是怎么做到的。

其實，在莫諾湖發現利用砷的生物已經不是新聞。早在2008年，就已經發現了用光能氧化亞砷酸，而不是光解水來進行光合作用的細菌。不過這種細菌只是將砷的化合物作為光反應中的電子提供方來固定二氧化碳，但是這次發現的GFAJ-1菌株卻在用砷組成自身的各種關鍵分子，因此被稱作“砷基生命”而引起了學術界的轟動。

我們懼怕的環境也許有生命欣欣向榮，呃，反之亦然……

科學家們推測這些以砷為生的生命沒準兒是我們這顆星球上很古老的居民。在地球上的磷還沒有被生物圈搬運到全世界的時候，也許很多地方的生物只能靠砷吃飯，用亞砷酸來進行光合作用的生物也許也比現代我們熟悉的光合生物出現得早。如果原始地球是這樣一種景象，那么何況外星呢？我們認為砷基生命的結構不穩定，只是在我們這個物種的體溫和我們感到舒適的室溫條件下，而在-180攝氏度的土衛六的情況又如何呢？

那些“不適合生物生存”的星球也許只是由於我們認識局限的一廂情願，至少在今天，我們知道生物學家們長期以來熟悉的地球生命六大元素就有可能被取代。“科學始於當你不相信專家之時。”NASA發布會上的一位嘉賓這樣說。

最後，我的感嘆是，元素周期表真是一個神奇的東西。我想起了一部叫做《進化》的老電影：當外星生物在地球上飛速進化，威脅人類生存時，主角從砒霜的毒性中得到靈感，在元素周期表中找到了對付外星人的大殺器——海飛絲，於是若干加侖的海飛絲成功地拯救了人類，不過那部喜劇中海飛絲的武器成分好像是硒。如果真有哪一天，純粹的砷基外星生命入侵地球，說不定含磷豐富的各種洗滌劑真的能成為能毒死外星人的猛藥，實乃居家旅行，殺人滅口之必備。