美国宇航局（ＮＡＳＡ）日前宣布，在地球上发现了一种全新的生命形式——一种依靠砷作为自身生命基础的奇特细菌。与传统生命不同的，这种被称作ＧＦＡＪ－１的细菌能在砷浓度很高的极端环境下生存，它主要由砷而不是磷作为重要的生物分子（如核酸、蛋白质）的构成，因而被称为“砷基生命”。这一发现改变了人们关于“生命由碳、氢、氧、氮、硫、磷”六大基本元素组成的认识，对探索生命起源和外星生物等问题都有重要的启发意义。

　　寻找“超自然生命”的发现

　　这项研究是由美国宇航局天体生物学研究所生物学家法利萨·沃尔夫－西蒙带领的研究团队完成的，他们是在加州境内的莫诺湖中发现这种新生命的，研究结果发表在美国《科学》杂志上。莫诺湖是一个有７６万年历史的沙漠湖泊，湖水盐碱度极高，也是地球上天然水体里砷含量最高的地方。研究人员在湖底发现并在实验室成功培育的ＧＦＡＪ－１菌株——属于变形菌门（Ｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ），它是一种单细胞细菌，也是湖中成长最好的细菌。

　　早在２００６年，西蒙在与其他科学家的讨论中就有了寻找“超自然生命”的想法。在地球上，舒适的环境都被传统意义上的生命所占据，作为异类的“新生命”恐怕只能存在于极端环境中。在元素周期表中砷与磷是同族元素，它们具有相似的性质，西蒙和同事猜测或许存在“以砷代磷”的生命形态，莫诺湖这样富含砷的环境就成了理想选择。

　　为验证这一猜想，研究人员把从湖底采集的沉积物样本带回实验室分析。在实验组富含砷的培养皿中，他们不添加任何磷酸盐或含磷化合物，同时不断转移培养液以降低环境中磷元素的含量。他们起初并未期待培养皿中的微生物能幸存下来，西蒙说，每天去实验室时都要屏住呼吸，担心微生物会死掉。终于有一天，他们惊喜地在显微镜下观察到了快速移动的杆状细菌。这种在砷中生长的细菌比在磷中的要大６０％。

　　实验结果还表明，砷已经成为细菌ＤＮＡ、蛋白质等生物大分子的重要组成元素。研究人员利用放射性同位素标记溶液中的砷，发现该细菌中的蛋白质、脂肪、ＡＴＰ（三磷酸腺苷，生命活动能量的直接来源）以及核酸（ＤＮＡ与ＲＮＡ均属核酸）都含砷。生物分子中的砷含量和一般细胞中的磷含量无异。当他们利用类Ｘ光分析ＤＮＡ时，发现砷以砷酸（在常规ＤＮＡ中是磷酸）的形态存在于ＤＮＡ中，并且和碳以化学键连接。

　　磷元素为何被砷取代

　　长期以来，人们对生命的基本认识是：生命是由碳、氢、氧、氮、硫、磷６种基本元素组成的。这一结论已经被写入教科书，在长达数百年的现代生命科学研究中从未被打破。然而，美国研究人员的发现却陈述了这样一个事实：组成生命的“第七元素”是存在的。研究人员成功地在实验室富含砷的环境中培养出了新生命，它的独特之处并不在于能忍受高浓度砷的极端环境，而是将这种被认为有毒的元素纳入自己的生命机制。

　　“砷基生命”被发现后，人们很容易问这样一个问题：为什么在六大基本元素中是磷被取代，而不是其他元素？要回答这个问题，需要先考察一下各个元素在组成生命中的作用。

　　对地球上的生命而言，生命的物质基础是由核酸、蛋白质、脂肪、多糖等组成，其中核酸是遗传物质，后面３种则是具有重要生理功能的物质。在六大元素中，碳、氢、氧、氮是基本元素，例如多糖是由碳、氢、氧组成的，核酸、蛋白质中的氮元素也是主要角色。另外两种元素硫、磷则只能被划入“重要元素”之列，它们的含量要小得多，只起到辅助作用。例如硫构成了两种氨基酸（半胱胺酸和蛋氨酸）的重要基团，磷则是ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＡＴＰ、磷脂（一种组成细胞膜的脂类）的组成部分。

　　六大元素中替换难度最大的是碳、氢、氧、氮４种元素，替换其中任何一种都要涉及生物分子整体结构的剧变。而在富含砷的环境中，最容易被替换的就是磷了。在元素周期表中砷和磷是同族元素，它们的物理、化学性质都相近。其实砷之所以有毒，就在于它与磷太像了，容易被生物错用，干扰本该由磷来参与的生命过程。例如常温下的试管里，ＡＭＰ（单磷酸腺苷，ＲＮＡ的基本单元之一）需要酶促反应才能生成，而ＡＭＡｓ（单砷酸腺苷）很容易自动生成。

　　通常条件下，为什么不接受砷作为前面说到的那些很重要的生命物质的组分呢？因为常温下，砷的化合物不如磷的化合物稳定，如果ＤＮＡ分子里面有砷酸用作连接物，ＤＮＡ链就很容易从砷酸那里断裂。可是，ＧＦＡＪ－１菌株，作为一种罕见的生物，做到了把砷安全地利用起来，并且表现出了相当的稳定性，这让人吃惊不小。但这稳定性可能是因磷没有被砷全部替换。在对基因组进行详细分析之前，我们暂时还不知道它们是怎么做到的。

　　对专业研究人员和普通民众来说，“砷基生命”的发现都让人眼界大开。新发现首先引起了关于生命起源的问题。ＧＦＡＪ－１具有很好的利用砷的能力，而这种能力不可能是一时形成的，或者说，自然界或许从很久以前即存在利用砷酸ＤＮＡ的生物。有科学家推测说，或许上古时代地球上的生物就是靠砷生存的，只是后来随着环境的改变让磷后来居上。如果地球曾经这样过，何况外星球呢？相对地球而言很多外星球都是极端环境，出现“砷基生命”、“硒基生命”（硒代替硫）甚至四大基本元素被替换的可能性不是没有。正如美国宇航局负责人韦勒指出的，生命的定义扩大了，在寻找太阳系生命信号时，需要放开思维，考虑更多我们不知道的但多样化的生命。

　　反对者称证据还不充分

　　《科学》杂志发表了西蒙研究小组的研究后，科学界曾对新发现一阵欢呼，但也出现了质疑的声音。英国自然《杂志》网站刊文称，美国南加州大学的生化学家帕赛克认为，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；加拿大不列颠哥伦比亚大学微生物学家罗茜·雷德福对论文中的实验细节提出质疑。“美国宇航局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，或者别的什么生物分子。”科罗拉多大学的雪莱科普利甚至说：“这篇论文根本不应该发表。”

　　质疑的主要问题是，这篇文章还没有提供充分证据证明砷确实掺入到ＤＮＡ或ＲＮＡ中去，真正成为核酸结构的组成部分。砷可以多种形式同核酸进行结合，如简单附着，像溴化乙啶（一种ＤＮＡ荧光染料）一样插入ＤＮＡ的螺旋沟内。怎样排除这两种情况呢？西蒙等人在论文中提到了一种ＣＣＴ（碰撞室技术）分析方法。批评者认为用这种方法不能很好地排除核酸与砷非实质性结合的情况。麻省理工学院生化学家罗格·萨蒙的建议是靶向质谱分析，具体步骤是把纯化的ＤＮＡ打断，通过质谱测定精确的分子量，从分子量变化确定砷是否真的掺入其中。