基本介紹
詳細介紹,實驗相關,實驗機構：美國國家航空航天局,實驗發現地點：莫諾湖,實驗對象：微生物,磷,砷,研究背景,研究意義,生命還有其它形式,生命六種基本元素論成見打破,解讀NASA發布會：地球上的“外星生命”,被推翻的生命的基本元素,為什麼是砷取代了磷？,我們懼怕的環境也許有生命欣欣向榮,研究過程,
詳細介紹
菌株GFAJ-1是一個常見細菌群Gammaproteobacteria的成員，研究人員用一種非常依賴於磷的食物成功地培育出這種微生物，但砷在其中發揮了巨大的協助作用。當研究人員將磷去掉，換成砷，這些微生物仍可以繼續生長。隨後的研究發現，砷被用於產生新GFAJ-1細胞的“砌塊”。研究人員研究的最重要的問題是，當這種微生物依靠砷生長時，砷實際上已經成為這種生物重要的生物化學體系(諸如DNA、蛋白質和細胞膜)的一部分。 台北時間2010年12月3日，美國宇航局在新聞發布會上宣布，研究人員在加利福尼亞莫諾湖進行的試驗首次發現，地球上的微生物也可以利用有毒的化學元素砷生長、繁殖。這種微生物在其細胞成分中以砷取代了磷。
這項研究成果將促使科學界重新檢視許多領域目前正在進行的研究，其中包括對地球演化的研究、有機化學、生物地球化學循環、緩解疾病以及地球系統研究，這些發現也將在微生物學和其他研究領域新的戰場。
美國宇航局天體生物學研究所所長卡爾·皮切爾表示：“替換生命的化學成分這樣的想法在科幻作品中很常見，但在此之前，將砷作為砌塊，形成生命，只在理論上存在，但現在我們知道莫諾湖中就有這樣的生命存在。”
實驗相關
實驗機構：美國國家航空航天局
美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration）簡稱NASA，台灣譯作“美國國家航空暨太空總署”，是美國負責太空計畫的政府機構。總部位於華盛頓哥倫比亞特區，擁有最先進的航空航天技術，它在載人空間飛行、航空學、空間科學等方面有很大的成就。它參與了包括美國阿波羅計畫、太空梭發射、太陽系探測等在內的航天工程。為人類探索太空做出了巨大的貢獻。
實驗發現地點：莫諾湖
莫諾湖（Mono Lake），位於美國加州東部，靠近內華達州，在優勝美地
（Yosemite）國家公園東入口附近。|Google Maps連結| 面積約60平方英里，是北美最古老的湖泊之一。湖深二百英尺，湖水的鹼性極強，如果你把絕無希望洗乾淨的衣服放在裡面浸一兩下，再把它擰乾，它就會幹淨得如同經過了最能幹的巧婦之手。由於沒有出口，湖水經長期蒸發，鹽及礦物質大量留存在湖中，使得莫諾湖的鹹度比海水高兩倍半。
實驗對象：微生物
磷
第15號化學元素，處於元素周期表的第三周期、第VA族。磷存在與人體所有細胞中，是維持骨骼和牙齒的必要物質，幾乎參與所有生理上的化學反應。磷還是使心臟有規律地跳動、維持腎臟正常機能和傳達神經刺激的重要物質。沒有磷時，煙酸不能被吸收；磷的正常機能需要維生素(維生素食品) D 和鈣(鈣食品)來維持。
砷
砷 (arsenic)是一個知名的化學元素，元素符號As，原子序 33。第一次有關砷的紀錄是在1250年，由大阿爾伯特所完成。它是一種以有毒著名的類金屬，並有許多的同素異形體，黃色(分子結構，非金屬)和幾種黒、灰色的(類金屬)是一部份常見的種類。三種有著不同晶格結構的類金屬形式砷存在於自然界(嚴格地說是砷礦，和更為稀有的自然砷鉍礦和輝砷礦，但更容易發現的形式是砷化物與砷酸鹽化合物，總共有數百種的礦物是已被發現的。砷與其化合物被運用在農藥、除草劑、殺蟲劑與許多種的合金中。
研究背景
碳、氫、氮、氧、磷和硫是地球有所有已知生命形式的六大基本構建元素。其中，磷是攜帶生命基因的DNA和RNA的主要化學成分，被認為是所有活細胞的最重要的元素。磷還是所有細胞(三磷酸腺苷)中攜帶能量的分子以及構成所有細胞隔膜的磷脂的核心成分。
但是，新發現的細菌並不是這樣，它完全不同，其細胞成分中以砷取代了磷。這種情況通常被認為是完全不可能的，因為砷對地球上多數生命有毒。這一發現表明人類對生命本身的理解還存在許多未知領域，同時也暗示完全有可能在其他行星上發現與地球生命不同的生命形態。
這項研究的首席科學家、美國宇航局研究員費利薩·沃爾夫·西蒙表示：“我知道有些微生物可以呼吸砷，但我們發現的微生物與眾不同，它的部分機體組成由砷構成。如果地球上的某些東西可以做這樣一些出乎我們意外的事情，那么生命還能做哪些我們還未發現的事情呢？”
研究意義
美國宇航局網站稱，這項由美國宇航局資助的研究項目將改變科學家對地球上所有已知生命構成的基本認識。新的生命構成成分的發現將改寫生物教科書，使地球外尋找生命的範圍得以拓展。這項研究成果將發表在《科學快訊》上。
對於菌株GFAJ-1的新發現，美國宇航局負責科學任務的副局長埃德·維勒爾在華盛頓表示：“生命的定義因此擴展了。由於我們正在太陽系尋找生命跡象，所以，我們的思維必須更開闊一些，角度更多一些，對未知的生命進行研究。”
生命還有其它形式
科學家說結果如果被確認，那么“生命是什麼、生命存在於何處”概念的範圍將擴大。哈佛史密森天體物理中心天文學家Dimitar Sasselov（未參與該項目）說：“當你看生命時，它基本上是很神秘的。自然只用有限的分子和化學反應，就創造出成千上萬的形式。這第一次給了我們希望：也許還有其它選擇。”NASA天體物理學家費麗莎·烏爾夫·西蒙（Felisa Wolfe-Simon），她領導該項目，她說：“生命如何以其它方式生存？該細菌解決了此問題。”她還說，這與單色湖或者砷無關，而是“推開了一張門，發現我們原來認為的關於生命的固有觀念並不是那么回事。”
費麗莎·烏爾夫·西蒙在單色湖中取標本
費麗莎·烏爾夫·西蒙在單色湖中取標本本周五，費麗莎·烏爾夫·西蒙與其團隊成員將公布其發現。
哥倫比亞大學天體生物學家沙爾夫（Caleb Scharf，並未參與項目）說，他很驚訝，“這就像你、或者我被扔到一個滿是電子殘留物的房間，沒啥可吃，然後變成了一個完全的機器人。”
加州斯克利普斯研究院(Scripps Research Institute)化學家、分子生物學家喬伊斯（Gerald Joyce）則說，這項工作“證明一個原則，你可以有一個不同的生命形式。”他說，這種細菌有可能會被定義成第三種生命形式，像深海的極端微生物一樣。
生命六種基本元素論成見打破
搜尋外星生命時範圍要擴大
發現可能會對太空任務產生影響，如到火星或者其它地方尋找生命。這些實驗性任務主要是搜尋一些化學元素，它們的反應，認識這些元素及其反應是以地球生命的形成為依據的。1976年海盜號曾試圖在火星尋找生命，但失敗而終，費麗莎·烏爾夫·西蒙說，當時還沒有發現深海的新生物，也沒有南極洲乾谷的概念。
沙爾夫則說：“我想知道的是，在設計這些實驗與設備來尋找生命時，我們是否在尋找和地球一樣的物質條件，或者還有其它的選擇。我們是不是在尋找我們熟知的地球分子，還是要擴大搜尋範圍？”
眾所周知，很長一段時間來，人們都認為磷是生命的六種基本元素之一。其它五種是碳、氧、氮、氫和硫。
為了一些特別的目的，生命中的一些元素會被替代，便至今沒有發現這六種基本元素被替代的物種。現在，科學家有事可幹了，除了磷外，其它的必備元素是否也能被取代，這是否有可能？在科幻小說中，作者們常常喜歡用矽來替代碳。
磷是組成DNA和其化學鍵的主力，尤其對三磷酸腺苷這種知名的分子來說更是不可缺，因為生物要用它來儲存能量。
沙爾夫說：“它像是電池，用細胞來攜帶能量。”一旦達到160攝氏度（320華氏溫度），它就分解，這是生命的極限。
在化學周期表中，砷剛好處在磷之下，它們有相似的共性。費麗莎·烏爾夫·西蒙說，實際上這種相似性讓砷含毒，它可以輕易進入細胞進行破壞，像壞汽油進入到引擎中一樣。
解讀NASA發布會：地球上的“外星生命”
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。
一起來回顧一下磷元素在生命中的作用：
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。
繼續回憶中學生物，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。
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。
為什麼是砷取代了磷？
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
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。
研究過程
預測、尋找、培養、發現……
2006年在美國亞利桑那州一個外星生命討論會上，費麗莎·烏爾夫·西蒙曾暗示，一種用砷替代磷的生命形式是可能的。後來在《天體生物學》的一份報告上，她與其它幾位科學家預測一種“砷”式生命形式將可以存在。
一直支持這種觀點的大衛博士說：“終於讓費麗莎發現了”，他們一直在野外搜尋生物，也在太空尋找。
大衛博士與費麗莎·烏爾夫·西蒙聯合發表了報告。
為尋找到這種生物，費麗莎·烏爾夫·西蒙從單色湖提取土壤，單色湖含鹽、鹼性、擁有大量的砷。他們認為這類“砷”式生命極可能存在於含有豐富砷的環境中。
儘管自己相信以砷為食的有機體的確存在，不過費麗莎·烏爾夫·西蒙還是說，每天去實驗室時都要摒住呼吸，擔心微生物會死掉，但沒有。她說：“對於微生物學家來說，光有物質沒有意義。”
新發現的微生物名為菌株GFAJ-1，它是常見細菌群Gammaproteobacteria的成員，它是湖中成長最好的細菌。在砷中，這種細胞比在磷中成長要大60%。在放射性環境下，研究者發現砷原子在DNA能占據重要位置，如同其它元素在分子中一樣。因此研究者找到了確證，砷的確能在DNA中成為主要元素。
值得一提的是GFAJ-1在磷的輔助下，它可以成長得更好，在某些方面GFAJ-1還是喜歡以磷為食。
研究者稱儘管極力餵食砷，但在該細菌中還是有一些磷元素。
