西蒙在工作中。圖/NASA
科學家發現的「砷輔」細菌。圖/NASA
「砷輔生物」拓展生命定義？
今年NASA特別「自我給力」，繼發布了「最年輕黑洞」的「驚人消息」之後，又於12月2日再次發布了「驚人消息」———在地球上發現了一種對「外星生物學」很重要的東西「砷輔生物」。這是一種細菌，能用對一般生物劇毒的砷來代替組成生物的基本元素———磷。對它們來說，砒霜是有營養的……
1.發現砷代替磷造細胞
12月2日，美國航空航天局(NASA)召開新聞發布會，宣布太空生物學研究員西蒙(Felisa Wolfe-Simon)領導的科學家團隊，在美國加利福尼亞州莫諾湖的湖底沉積物裡發現了一種細菌，它不但能夠在砷含量很高的環境中生存，而且能夠用砷代替生物體中最常見的磷，作為自己DNA的重要「建築材料」。一時間，「外星生物學界」議論紛紛。
這個莫諾湖是個什麼「神聖之地」，能培養出對「外星生物學」很重要的細菌？南京師範大學地理科學學院教授瀋冠軍曾到這個湖考察。「這是一個鹽湖。」瀋冠軍說，「它不但鹽純度很高，而且鹼性很強。」之所以有這麼高的鹽度，是因為莫諾湖已經和外來淡水水源隔絕了50年。瀋冠軍說，因為鹽鹼性太強，所以大多數水生生物都無法在這裡生存。但它絕非死氣沉沉，因為富含營養鹽，這個湖裡生長有很多藻類，一些能夠忍受高鹽鹼環境的動物也在這裡安家，主要是一種小蝦和一種小蠅子產下的蛆。這些小動物又吸引來很多鳥類。事實上，從生物密度來說，莫諾湖大大超過了常見的淡水湖。這個湖的湖底沉積物中砷含量很高，同時這裡又生活著很多細菌。
這些細菌可以利用砷生活嗎？為了證明這一點，研究小組把帶有細菌的沉積物拿到實驗室裡，用大量的不含磷和砷的鹽水稀釋，以盡量去除其中的磷和砷，同時給這些細菌一些糖、維生素和微量金屬元素讓細菌繼續活著，培養一段時間後，他們分離出一種被稱為「GFAJ-1」的細菌。它屬於變形菌門的鹽單胞菌科。
然後，研究者們把「GFAJ-1」分成兩組在瓊酯培養基上培養，一組餵給砷，不給磷；另一組餵給磷，不給砷。實驗表明，餵給磷的細菌繁殖較快，但餵給砷的細菌也在繁殖，只是速度慢一些。放射性標記表明，砷元素存在於這種細菌的體內，包括蛋白質、脂類、ATP、構成DNA和RNA的核苷酸。光譜分析間接顯示，在DNA骨架中，砷取代了磷的角色。
2.亮點打破「碳氫氮氧磷」體系
等等，不就是能「吃」點砷嘛，這個消息怎麼就「驚人」了呢？這還要從組成生物的基本元素說起。地球上的生物千變萬化，有吸氧氣的，有見著氧氣就中毒的；有耐熱，有耐寒的……它們身體裡的元素五花八門，但有六樣基本元素都是一樣的，那就是碳、氫、氮、氧、磷、硫，字母簡寫就是「CHNOPS」。磷在這「六大員」中排老五。它在生物體中起到了至關重要的作用。我們知道，細胞膜是磷脂雙分子層；而ATP是生物界通用的「能量貨幣」，它的全名叫做「三磷酸腺苷」。最重要的，是生物的遺傳物質「DNA」的基本組成單位就是磷酸連著五個碳原子的糖，再加上一個鹼基。
說起「砷」，提到它，大家都會聯想到毒，著名的「砒霜」就是三氧化二砷。翻翻元素週期表會發現，砷正好住在磷的樓下，說明它們是「一族」的，化學性質非常相似，正是這種「相似」使砷非常之「毒」。芝加哥大學分子遺傳與細胞學博士劉暘說，砷和磷很相似，容易代替磷整合到生物大分子中；但砷的化合物遠不如磷穩定，比如它組成的DNA容易水解斷掉，這樣就會出問題。砷代替磷的位置，又不干磷幹的事兒，把細胞搞得一團糟。
如今，NASA終於找到了既能讓砷進入身體，又能讓砷干磷的事兒的細菌，「CHNOPS」體系被打破了！從這個意義上說，NASA新發現的卻是一種「砷輔生物」。
3.意義擴展「生命」定義
很多人因為NASA的發現而歡呼，NASA的科學使命理事會副主席韋勒說：「對於‘生命’的定義被擴展了，當我們尋找太陽系裡(其他星球)具有生命時，我們應當讓思路更開闊一些，更多樣一些，想一想那些我們從來不知道的生命。」
對於細菌之所以能夠利用砷，NASA的研究者推測是因為莫諾湖底的沉積物裡含磷很少細菌不得已「學會」了利用砷的方法。而瀋冠軍表示，如果NASA的研究成果沒有問題，更大的可能性是細菌因為在高毒性的砷環境裡生長，找到了「解毒」的方法。瀋冠軍說，地球上磷的含量相當大，相比砷就少得多，所以「富砷少磷」的環境並不多見。但在其他星球上，完全有可能出現這樣的環境。在那裡砷可能會成為生物的基本組成元素之一。
劉暘則感覺NASA對「砷細菌」發現的宣傳有些誇張。細菌用砷代替磷並非不可思議的事，雖然砷組成的DNA容易水解，但如果細胞有很好的修復或者補救機制，還是可以活的。本來就有很多細菌生活在極端環境下，NASA或許只是發現了又一個新案例而已。這和「外星生命」並無直接聯繫。
「我覺得最有意思的是，如果證明砷真的取代了磷的位置，那細胞究竟是怎麼完成下游的一系列代謝過程，加入了砷的大分子。」劉暘說，「不是說不穩定特別容易被水解嗎，那細胞是怎麼修復這個缺陷的？是不是有些機制特別快地檢測出DNA損傷然後特別快地修復它？」總之，最有意思的可能還是下一步的研究。
4.質疑數據不乾淨？
在有人因為NASA的發現歡欣鼓舞的時候，也有不少人對他們的結論表示懷疑，比如美國南加州大學的生化學家帕賽克就說細菌「DNA」中的砷可能只是被DNA所吸附，而非DNA的結構組成部分。不過，最猛的還是雷德福實驗室的生物學家羅茜·雷德福(RosieRedfield)。她在博客上發表文章說：「NASA沒有拿出任何能說服人的證據來說明砷元素已經進入了DNA，或者別的什麼生物分子。」總的來說，羅茜認為NASA實驗最大的問題是「數據不乾不淨」。
首先，研究者們是用莫諾湖沉積物進行細菌培養的。羅茜說，雖然這些沉積物被反覆稀釋過，但裡面還是含有磷和砷。研究者們說，稀釋之後細菌能得到的磷非常少，不足以維持它們的生長，說生物需要體重的1%-3%的磷來維持生命，但羅茜認為這個數據是不對的，因為他們研究的細菌可以在缺磷的環境下緩慢生長，細胞中只含有0.5%的磷。羅茜說，NASA研究者自己的數據都能表明，即使不加磷也不加砷，細菌也能緩慢增殖。總之，無論是高磷還是高砷環境，那些細菌可能全靠磷活著，根本沒有砷什麼事兒。
再有，NASA的研究者急於證明砷參與了細菌DNA的構成，於是他們「提純」了DNA，用質譜儀來測量砷和碳的比例。羅茜說，根據研究者的報告分析，他們的樣品中不僅有DNA，可能還有別的細胞中的分子；而且很多碳可能來自培養基。羅茜說，在磷環境中生長的細胞，DNA含砷量很低，但砷環境中生長的細胞，DNA中砷的量竟只有前者的2倍。這個差距太小了，可能只是實驗誤差。
研究者們用同步加速器X光來確定這些砷原子周圍的環境。羅茜同意這種做法，但不同意他們得出的「砷取代了磷通常的位置」的結論。因為數據顯示細胞裡含有0.19%的砷，但是DNA裡卻只含有億分之2.7的砷。砷可能以某種形式進入了細胞，但卻並沒有進入DNA。
所以，羅茜得到的結論是：「很多胡扯，很少的可靠信息……他們的數據可靠性被糟糕的數據獲取方法極大地削弱了。如果這個數據是一個博士生提交的，我會讓他們返工，多做些樣本純化的工作。」
羅茜表示她懷疑「地球上發現砷輔生物」的說法也是NASA有意無意的捏造。事實上，對NASA可能造假的懷疑由來已久。丹·布朗2001年出版的《騙局》描述的就是這麼一種情況。羅茜持類似的觀點，她說：「我不知道這些作者是糟糕的科學家，還是無良地想要推進NASA的‘尋找外星生命’的進程。至於那些(沒發表意見的)評論家，我猶豫是否要批評他們，因為他們的反對意見可能會被《科學》雜誌想要發表轟動性文章的編輯給拒了。」
12月8日，西蒙在其網站上作出了回應，但並未提及那些被質疑的內容。
