生命“必需元素”不再必须?

——评“食砷”细菌的发现

 

    11月2日，美国《科学快讯》刊发了美国宇航局（NASA）天体生物学家费丽莎·乌尔夫-西蒙（Felisa Wolfe-Simon）博士的研究论文——“一种能够利用砷替代磷生长的细菌”。此次发现的“食砷”细菌GFAJ-1能在不含磷元素的培养基上，利用砷元素生长。而且菌株GFAJ-1体内的生物大分子中也含有砷元素，这就说明对于生命体而言，磷元素能够被砷元素替代。同时也预示着，生命的“必需元素”不再是“必须”。

    11月2日《自然》网站、和次日出版《科学》杂志都对此发现进行了报道和评论。“食砷”细菌的发现，不仅颠覆了科学上对生命“必需元素”的定义，而且，引发了公众对外空生命的无尽遐想。由于研究机构是致力于探索外空生命的美国宇航局。该消息一度被误传为“NASA发现外空生命”，甚至白宫的官员都为此致电NASA核实事情真相（据《华盛顿邮报》）。为此，NASA的专家不得不反复重申：此次发现的“食砷”细菌是在地球上首次发现，而并非是传言的外空生命。

 

风光旎丽的国家公园

 

 

    “食砷”菌GFAJ-1的发现地是位于美国南加州优胜美地（Yosemite）国家公园的莫诺湖（Mono Lake）。“优胜美地”是号称全美最漂亮的国家公园，而其中的莫诺湖更是以其特有的“石灰华”（tufa）景观而著称。在平静的湖面上冒出数个“石灰华”，看起来宛若梦幻般的仙境。据说，在这里即使是傻瓜照相机也能拍出美妙的图片。因此，莫诺湖也被成为“摄影家的天堂”。

    但是，吸引西蒙博士来此进行研究的却不是这里旎丽的风景，而是莫诺湖独特的自然环境。莫诺湖由于没有自然出口，长期的蒸发使得湖水的渗透压很高。这里湖水的 pH高达10，盐度更是海水的两倍。加之，莫诺湖是北美最古老的内陆湖。在这里特有的生存环境下，可能还蕴含着地球上最古老的生命形式。

    更为重要的是，莫诺湖也许是地球上含砷量最高的湖泊。这里湖水的砷含量高达200uM。在此生长的微生物势必能够耐受高浓度的砷元素。而它们正是西蒙博士苦苦寻觅的“嗜砷”（loving- arsenic）细菌。

    西蒙博士和她的团队从2009年就开始莫诺湖湖底的沉积物中分离天然微生物。并在培养基中不断提高砷元素的浓度。最终筛选到了能耐受较高砷浓度的“嗜砷”细菌GFAJ-1。

    从恶劣环境中分离极端微生物，这在科学上不是新鲜事。但是，当培养基中去除了磷元素后，西蒙博士惊奇的发现，菌株GFAJ-1在完全不含磷元素的培养基中也能生长。随后的研究进一步表明， GFAJ-1是利用了砷元素替代磷元素去合成生物大分子，行使生理功能。

    一株平常的“嗜砷”（loving- arsenic）细菌竟然还是“食砷”（eating- arsenic）细菌。此发现改变了此前科学界对于生命“必需元素”的认识。同时，这也预示着此前在人们所自认为的“生命禁区”中，可能还存在没有发现的生命形式。因此，NASA在新闻发布会上就指出，“该研究成果或将改变需找外空生命的策略”。

 

性情相近的“兄弟”元素

 

    长期以来，碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P），硫（S）被认为是形成生命体的“必需元素”。缺乏其中的任意元素，蛋白、核酸、糖类、脂类等生物大分子都无法合成。从最简单的单细胞细菌到分化复杂的高等生物，生命“必需元素”对于生命体而言绝对是“必须的”。英文中六种生命必需元素的缩写，常常连起来组成了专用称谓“CHONPS”。但是，“食砷”细菌的发现，至少已经就将磷元素从“CHONPS”的名单中划出。

    而此前，磷元素普遍被认为是不可或缺的“必需元素”。磷在生命体中主要以磷酸根（PO₄^3-,）的形式存在。磷酸二酯键维系着核酸（DNA，RNA）的基本结构。磷脂双分子层是“生物膜”重要组成部分，借助后者细胞才能选择性的“吐故纳新”。而三磷酸腺苷（ATP）更是被称为细胞的“能量货币”，细胞通过合成和水解其中的“高能磷酸键”去贮存和释放能量。

    因此，对于生命体而言，从分子结构到细胞功能，从新陈代谢到能量转化，磷元素都是不可替代的。磷元素对于生命中如此重要，早在1987年《科学》杂志就刊出名为 “自然界为什么会选择磷”的文章，对磷元素的重要性进行详尽阐述。

    与“生命必需元素”——磷相比，同为氮族元素砷却常常与“重金属中毒”联系起来。三氧化二砷更是剧毒的砒霜。然而，若从化学性质的角度说，砷和磷却是性情相似的“兄弟”。

    在化学元素表上，砷元素与磷元素同属氮族元素。二者化学性质相似。砷与磷具有接近的原子半径，也同样带有相同的负电荷。而且，它们在自然界的存在形式更是大同小异。砷元素多以砷酸根（AsO₄^3-）的形式存在，它与磷酸根（PO₄^3-）具有相同的酸碱度（pH）和氧化还原电位。唯一不同的地方是，砷的分子量更大，化学性质也相对活泼。与磷相比，砷元素更具“金属性”

    正是由于磷元素与砷元素的相似性。细胞内部的代谢途径常常不能区分二者。当细胞摄入砷后，砷会进入磷的代谢途径。而砷的 “金属性”，又使其在水环境内极不稳定。过短的半衰期导致其不能行使磷元素的生理功能，最终导致了砷元素的中毒。

 

“饮鸩止渴”的“食砷”细菌

 

    当微生物的生长环境中没有磷时，它是否能够通过摄入砷来替代磷呢？这听起来有点像“饮鸩止渴”的故事。但是西蒙博士却不这么认为。

     据《新科学家》2008年报道，西蒙博士尚在哈佛大学攻读博士后期间，就注意到了砷与磷的相似性。她认为，在地球上生命形成的早期，由于火山爆发等原因，砷元素会溶解在水中。此时，尚没有足够的微生物从岩石中分解到磷。那么，早期的生命很可能是，依靠砷来合成DNA等生物大分子。

     西蒙博士的观点发表在当年的《国际天体生物学》，并以 “自然界是否也选择了砷？”为题。与上文提及的经典文章——“自然界为什么会选择磷”遥相呼应。

    在生物体内，任何元素的替代都导致分子结构、代谢途径的改变。虽然，此前也有报道：作为“酶”的辅基，有些金属是在生理功能上可以互换的。比如，在低等的节肢动物体内，金属元素铜可以替代铁成为氧载体的辅基。但是这些“替换”仅仅局限在生物体内“微量元素”。而对于含量占到生物质干重近百分之一的磷元素来说，它被其他元素替代，这在科学上是难以想象的。

    但是两年后，西蒙博士利用了放射性元素示踪、两种质谱技术（二次离子质谱、X射线）等方法研究，结果 “表明”：“食砷”细菌GFAJ-1的DNA等生物大分子中含有砷元素，而且同时其体内的磷元素在细胞干重中的含量，也由百分之一降为千分之一。这就预示着，在“食砷”菌细胞内部，砷元素已经开始替代磷元素。

 

尚未解开的疑惑

 

    莫诺湖中存在某些极端微生物能够降解砷元素，这在本世纪初就已经发现。2004年，《欧洲微生物学会联合会微生物生态学》所刊论文“莫诺湖中微生物的砷循环”就已经提及此事。甚至对于嗜砷微生物的分布，砷元素的微生物降解机制进行详细介绍，也有数篇论文详细论述。如：2005年《科学》杂志刊出论文 “高盐环境下利用微生物实现的砷循环”。2006年《元素》杂志也刊出论文“自然界中微生物对砷的转化”等等。（可删去）

     但是，砷元素能够替代生命“必需元素”——磷元素，这一发现在科学上还属首次。12月3日《科学》杂志刊出的评论标题为 “毒药？却能合成DNA”，科学界对于此发现的惊奇之情，已经跃然纸上。而此前，《自然》杂志网站上已经刊出评论 “食砷细菌或将改变生命体的化学定义”。文章断言：食砷”细菌GFAJ-1不仅将磷元素从“CHONPS”的名单中划掉，而且，改变了人们对生命“必需元素”的已有认识。甚至，“食砷细菌”GFAJ-1也有了另外一个名号“砷基生命”（arsenic-based life）。

     西蒙博士的研究虽然震惊世人，但是研究过程中发现的许多现象都未曾解释。比如，GFAJ-1菌株在含砷不含磷的培养基上生长，其生长速率降为对照的60%，细胞形态明显变大，存在类似“液泡”的细胞结构。这些现象肯定与砷、磷两种元素的替换有关，但是细胞内部究竟发生了什么，人们不得而知。

     之后，科学界对此研究进行了深入的讨论。随之，也不断有科学家开始对“砷基生命”提出异议。12月9日出版的《自然》杂志就集中刊载了科学界对此研究的质疑。

    首先，论文在细节上误导了公众。论文中所提及不含磷的培养基，实际上也含有“痕量”的磷。另外，结论中使用的“表明”（suggest）一词，而非“证明”（prove）。这是源于目前的检测手段不能直接或完全证明，砷元素已经构成DNA等生物大分子。要想证明这一点，需要利用“靶向质谱”技术进一步确证。

    更为重要的是，与磷元素相比，砷元素更为活泼。在细胞内的水环境中，半衰期很短的砷元素如何维持生物大分子的稳定结构呢？有科学家形象的将此比喻成，“用锡箔去连接不锈钢链条”。以此来形容，脆弱的砷酸键难以承载起DNA的物理结构。

   对于该发现的真正意义，也许正如12月9日《自然》杂志所使用的文章题目所言，这只是“微生物对于有毒物质的一种反应”。它仅仅是，极端微生物对恶劣环境的适应。就此颠覆生命“必需元素”的概念，为时尚早。谈及“砷基生命”更是有些夸大、哗众。

    对于这些以上质疑，西蒙博士除了向《科学》杂志补充了部分试验数据外，并未直接回答以上质疑。但是此前，她也坦言，研究仅仅开始，“弄清一切也许要再化上三十年的时间”。

    近期，西蒙博士将赴阿根廷，在那里特有的“高砷低磷”的环境中，继续她的研究。

 

“食古不化”的极端微生物

    此次发现的嗜砷细菌GFAJ-1，属于嗜盐菌种（halophile）中常见的盐单胞菌属（Halomonas） ，在微生物分类学上，类似的“嗜盐”多属于古细菌界（archaea）。古细菌被成为“生命的第三域”，早在地球上生命形成之初，它们就已经存在。那时的地球生存环境极其恶劣，高温、高压、缺氧，生存环境等等。能够在这种环境下生存的古细菌，体内有着独特的代谢途径，和行使催化能力的“酶”。经过数亿年的进化，这些古细菌最终成为了如今嗜热（Thermopiles）、嗜冷（Psychrophiles）、嗜酸（Acidophiles）、嗜碱（Alkaliphiles）、嗜压、抗辐射等“极端微生物”（extremophiles）。

    如今，这些极端微生物的存在，已经成为地球上生命形式一道独特的风景线：从一万多米深的马里亚纳海沟、到常年干旱的塔克拉玛干沙漠，从冰封上千年的格林兰冰川，到温度高达250℃的火山口，这些“生命禁区”，都普遍发现了极端微生物的存在。

    甚至， 2000年《自然》杂志报道，在古老盐结晶体内发现的一株耐盐菌，已经存活了2. 5 亿年。可以说，作为“边缘生命”的极端微生物，一直都在挑战人类关于生命现象的有限认识。极端微生物不断刷新的生存纪录也在暗示人们，在地球上还存在一个未曾被发现的 “影子生物圈”（shadow biosphere）。研究极端微生物，或许可以为探索外空生命提供线索。这也是NASA为什么一直热衷研究“极端微生物”的原因。

    更为重要的是，极端微生物在恶劣环境中得以生存，其所依赖的“生物酶”，具有广阔的工业应用价值。比如，嗜热微生物Thermus aquation体内的DNA聚合酶（Taq酶）已经应用于PCR（聚合酶链式反应）技术，而后者可以任意扩增DNA片段，使得“基因工程”成为可能；嗜冷微生物体内的低温活性酶可以用于食品加工、低温发酵。嗜酸微生物体内的酶用作饲料添加剂，能够提高饲料的利用率。而嗜盐微生物、嗜碱微生物则更多的应用于环境中污染物的生物降解。

    随着地下水的过度开采，近年环境中“砷污染”与临床上“砷中毒”的事件不断发生。利用此次发现的嗜砷微生物GFAJ-1菌株去治理环境，不失为解决上述问题的一条捷径。

    诚然，“食砷”细菌的发现，或许能为探索外空生命提供新的线索，但是更为实际的“生物降解”、“生物治污”才是此类科学研究最为重要的现实应用。

 

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