砷辅生物 或成寻找外星生命新思路
2012-12-25 09:19
来源: 科技频道
西蒙在工作中。图/NASA
「砷辅生物」拓展生命定义？
今年NASA特别「自我给力」，继发布了「最年轻黑洞」的「惊人消息」之後，又於12月2日再次发布了「惊人消息」———在地球上发现了一种对「外星生物 学」很重要的东西「砷辅生物」。这是一种细菌，能用对一般生物剧毒的砷来代替组成生物的基本元素———磷。对它们来说，砒霜是有营养的……
1.发现砷代替磷造细胞
12月2日，美国航空航天局(NASA)召开新闻发布会，宣布太空生物学研究员西蒙(Felisa Wolfe-Simon)领导的科学家团队，在美国加利福尼亚州莫诺湖的湖底沉积物里发现了一种细菌，它不但能够在砷含量很高的环境中生存，而且能够用砷 代替生物体中最常见的磷，作为自己DNA的重要「建筑材料」。一时间，「外星生物学界」议论纷纷。
这个莫诺湖是个什麽「神圣之地」，能培养出对「外星生物学」很重要的细菌？南京师范大学地理科学学院教授沈冠军曾到这个湖考察。「这是一个盐湖。」沈冠军 说，「它不但盐纯度很高，而且硷性很强。」之所以有这麽高的盐度，是因为莫诺湖已经和外来淡水水源隔绝了50年。沈冠军说，因为盐硷性太强，所以大多数水 生生物都无法在这里生存。但它绝非死气沉沉，因为富含营养盐，这个湖里生长有很多藻类，一些能够忍受高盐硷环境的动物也在这里安家，主要是一种小虾和一种 小蝇子产下的蛆。这些小动物又吸引来很多鸟类。事实上，从生物密度来说，莫诺湖大大超过了常见的淡水湖。这个湖的湖底沉积物中砷含量很高，同时这里又生活 着很多细菌。
这些细菌可以利用砷生活吗？为了证明这一点，研究小组把带有细菌的沉积物拿到实验室里，用大量的不含磷和砷的盐水稀释，以尽量去除其中的磷和砷，同时给这 些细菌一些糖、维生素和微量金属元素让细菌继续活着，培养一段时间後，他们分离出一种被称为「GFAJ-1」的细菌。它属於变形菌门的盐单胞菌科。
然後，研究者们把「GFAJ-1」分成两组在琼酯培养基上培养，一组喂给砷，不给磷；另一组喂给磷，不给砷。实验表明，喂给磷的细菌繁殖较快，但喂给砷的 细菌也在繁殖，只是速度慢一些。放射性标记表明，砷元素存在於这种细菌的体内，包括蛋白质、脂类、ATP、构成DNA和RNA的核苷酸。光谱分析间接显 示，在DNA骨架中，砷取代了磷的角色。
2.亮点打破「碳氢氮氧磷」体系
等等，不就是能「吃」点砷嘛，这个消息怎麽就「惊人」了呢？这还要从组成生物的基本元素说起。地球上的生物千变万化，有吸氧气的，有见着氧气就中毒的；有 耐热，有耐寒的……它们身体里的元素五花八门，但有六样基本元素都是一样的，那就是碳、氢、氮、氧、磷、硫，字母简写就是「CHNOPS」。磷在这「六大 员」中排老五。它在生物体中起到了至关重要的作用。我们知道，细胞膜是磷脂双分子层；而ATP是生物界通用的「能量货币」，它的全名叫做「三磷酸腺苷」。 最重要的，是生物的遗传物质「DNA」的基本组成单位就是磷酸连着五个碳原子的糖，再加上一个硷基。
说起「砷」，提到它，大家都会联想到毒，着名的「砒霜」就是三氧化二砷。翻翻元素周期表会发现，砷正好住在磷的楼下，说明它们是「一族」的，化学性质非常 相似，正是这种「相似」使砷非常之「毒」。芝加哥大学分子遗传与细胞学博士刘阳说，砷和磷很相似，容易代替磷整合到生物大分子中；但砷的化合物远不如磷稳 定，比如它组成的DNA容易水解断掉，这样就会出问题。砷代替磷的位置，又不干磷干的事儿，把细胞搞得一团糟。
如今，NASA终於找到了既能让砷进入身体，又能让砷干磷的事儿的细菌，「CHNOPS」体系被打破了！从这个意义上说，NASA新发现的却是一种「砷辅 生物」。
3.意义扩展「生命」定义
很多人因为NASA的发现而欢呼，NASA的科学使命理事会副主席韦勒说：「对於『生命』的定义被扩展了，当我们寻找太阳系里(其他星球)具有生命时，我 们应当让思路更开阔一些，更多样一些，想一想那些我们从来不知道的生命。」
对於细菌之所以能够利用砷，NASA的研究者推测是因为莫诺湖底的沉积物里含磷很少细菌不得已「学会」了利用砷的方法。而沈冠军表示，如果NASA的研究 成果没有问题，更大的可能性是细菌因为在高毒性的砷环境里生长，找到了「解毒」的方法。沈冠军说，地球上磷的含量相当大，相比砷就少得多，所以「富砷少 磷」的环境并不多见。但在其他星球上，完全有可能出现这样的环境。在那里砷可能会成为生物的基本组成元素之一。
刘阳则感觉NASA对「砷细菌」发现的宣传有些夸张。细菌用砷代替磷并非不可思议的事，虽然砷组成的DNA容易水解，但如果细胞有很好的修复或者补救机 制，还是可以活的。本来就有很多细菌生活在极端环境下，NASA或许只是发现了又一个新案例而已。这和「外星生命」并无直接联系。
「我觉得最有意思的是，如果证明砷真的取代了磷的位置，那细胞究竟是怎麽完成下游的一系列代谢过程，加入了砷的大分子。」刘阳说，「不是说不稳定特别容易 被水解吗，那细胞是怎麽修复这个缺陷的？是不是有些机制特别快地检测出DNA损伤然後特别快地修复它？」总之，最有意思的可能还是下一步的研究。
4.质疑数据不乾净？
在有人因为NASA的发现欢欣鼓舞的时候，也有不少人对他们的结论表示怀疑，比如美国南加州大学的生化学家帕赛克就说细菌「DNA」中的砷可能只是被 DNA所吸附，而非DNA的结构组成部分。不过，最猛的还是雷德福实验室的生物学家罗茜·雷德福(RosieRedfield)。她在博客上发表文章说： 「NASA没有拿出任何能说服人的证据来说明砷元素已经进入了DNA，或者别的什麽生物分子。」总的来说，罗茜认为NASA实验最大的问题是「数据不乾不 净」。
首先，研究者们是用莫诺湖沉积物进行细菌培养的。罗茜说，虽然这些沉积物被反覆稀释过，但里面还是含有磷和砷。研究者们说，稀释之後细菌能得到的磷非常 少，不足以维持它们的生长，说生物需要体重的1%-3%的磷来维持生命，但罗茜认为这个数据是不对的，因为他们研究的细菌可以在缺磷的环境下缓慢生长，细 胞中只含有0.5%的磷。罗茜说，NASA研究者自己的数据都能表明，即使不加磷也不加砷，细菌也能缓慢增殖。总之，无论是高磷还是高砷环境，那些细菌可 能全靠磷活着，根本没有砷什麽事儿。
再有，NASA的研究者急於证明砷参与了细菌DNA的构成，於是他们「提纯」了DNA，用质谱仪来测量砷和碳的比例。罗茜说，根据研究者的报告分析，他们 的样品中不仅有DNA，可能还有别的细胞中的分子；而且很多碳可能来自培养基。罗茜说，在磷环境中生长的细胞，DNA含砷量很低，但砷环境中生长的细 胞，DNA中砷的量竟只有前者的2倍。这个差距太小了，可能只是实验误差。
研究者们用同步加速器X光来确定这些砷原子周围的环境。罗茜同意这种做法，但不同意他们得出的「砷取代了磷通常的位置」的结论。因为数据显示细胞里含有 0.19%的砷，但是DNA里却只含有亿分之2.7的砷。砷可能以某种形式进入了细胞，但却并没有进入DNA。
所以，罗茜得到的结论是：「很多胡扯，很少的可靠信息……他们的数据可靠性被糟糕的数据获取方法极大地削弱了。如果这个数据是一个博士生提交的，我会让他 们返工，多做些样本纯化的工作。」
罗茜表示她怀疑「地球上发现砷辅生物」的说法也是NASA有意无意的捏造。事实上，对NASA可能造假的怀疑由来已久。丹·布朗2001年出版的《骗局》 描述的就是这麽一种情况。罗茜持类似的观点，她说：「我不知道这些作者是糟糕的科学家，还是无良地想要推进NASA的『寻找外星生命』的进程。至於那些 (没发表意见的)评论家，我犹豫是否要批评他们，因为他们的反对意见可能会被《科学》杂志想要发表轰动性文章的编辑给拒了。」
12月8日，西蒙在其网站上作出了回应，但并未提及那些被质疑的内容。
科学家发现的「砷辅」细菌。图/NASA
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