南方周末:“食砷”细菌颠覆了什么

2010-12-24 17:18 来源: 南方周末
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西蒙博士从莫诺湖湖底的沉积物中分离到了食细菌。

在不含磷的培养基上生长的GFAJ-1(左图),形态要明显较对照组(右图)大。

  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。但是有科学家指出,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。

  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“必需”。

  当日的《自然》杂志和次日的《科学》杂志都对此项发现进行了报道。“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,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。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。

含砷量最高的湖泊

  “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(MonoLake)。“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,莫诺湖也被称为“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旖旎的风景,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值高达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年就开始在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,西蒙博士惊奇地发现,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(PO43-)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地“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(AsO43-)的形式存在,它与磷酸根(PO43-)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。

听起来像饮鸩止渴?

  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。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日的《科学》杂志刊出的标题为“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。同期的《自然》杂志也刊出文章“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-basedlife)。

  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日的《自然》杂志就集中刊登了科学界对此项研究的质疑。

  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?有科学家形象地将此比喻成,“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》杂志所刊文章的题目所言,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,“弄清一切也许要再花上三十年的时间”。

  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。