【生命科學】美國太空總署發現奇異「砷」物 顛覆生命元素假設

■ 美國太空總署上週發表了一項新發現,他們讓GFAJ-1嗜極細菌吃砷酸鹽,竟然存活了下來。顯示過去人們相信的生命六大要素,是可能被替換的。
編譯 ∣ 汪芃

  上帝烹調地球生命這道大菜時,不太可能隨性地用乳瑪琳來代替奶油吧——至少科學家以前是這麼認為的。

  沒想到,日前已有研究團隊以砷(arsenic)取代磷(phosphorus),成功培養一種微生物;構成生命的六大要素之一竟可被別的元素取代,這是史無前例的新發現。學者在12月2日的《科學》雜誌(Science)發表研究成果,指出這次培養的細菌不但把砷融入細胞的代謝機制,還融入了細胞的DNA(去氧核糖核酸)。

  砷是劇毒物質,且過去普遍認為砷的化學性質十分不穩定,無法取代磷的功能,將DNA聚合成結構緊密的雙螺旋(double helix),同時活化蛋白質,並在生物體內傳遞,供給細胞能量。但如果這份新研究的成果證實無誤,目前對基本生物化學的了解將大翻盤,我們對地球和宇宙的生命起源及演進,也將有不同的認知。

  荷蘭奈美恩大學(Radboud University Nijmegen)的分子化學家舒瓦茲(Alan Schwartz)說:「這個研究成果非常驚人,可說是非比尋常的重大發現——假設結果屬實的話。我以非常小心審慎的態度評估,是因為這個結論影響太大了;但這個研究的確很了不起,探索了一個全新的領域,而且很可能非常重要。」

封閉湖泊

  這個研究團隊採集美國加州東部莫諾湖(Mono Lake)底部的沈積物來進行實驗,沈積物裡有許多可以耐受該湖泊特殊化學環境的蝦、蠅、藻類。莫諾湖位於一處封閉的盆地,水分只能蒸散,湖泊四周沒有缺 口可讓水流出,因此此處湖水的鹽度是海水的3倍,鹼性非常高,富含各種碳酸鹽類、磷、砷和硫磺。

圖片來源:《科學》雜誌(Science)/美國科學促進會(AAAS)

  美國國家航空暨太空總署天文生物學研究所(NASA Astrobiology Institute)的沃夫西蒙博士(Felisa Wolfe-Simon) 與美國地質調查局(U.S. Geological Survey)合作,率領一組研究團隊,在加州門諾帕克市(Menlo Park)進行實驗,培養莫諾湖沈積物中的微生物。研究人員大致仿照一般培養微生物的方法,施以糖、維他命和一些微量金屬,但並未供給磷酸鹽(生物構造最 常使用的磷類);一段時間後,研究人員開始餵食砷酸鹽(arsenate,一種近似砷的化學物質),然後逐步增加劑量。

  研究團隊特別採集其中一種微生物,放在試管中培養。這種微生物隸屬性喜高鹽環境、多分佈在海洋中的鹽單胞菌科(Halomonadaceae),現已命名為GFAJ-1嗜極細菌。研究人員對其中一些GFAJ-1細菌施以大量的砷酸鹽,另一些則施以磷酸鹽(phosphate)。沃夫西蒙說,靠砷酸鹽維生的菌,和靠磷酸鹽維生的菌相比,雖然生長速度較慢,但仍然穩定成長,菌種每2天就能繁殖1倍。此外,儘管研究團隊無法將原本GFAJ-1細菌體內的磷酸鹽徹底清除,但他們使用檢測及分析技術發現,GFAJ-1細菌確實已經開始把砷酸鹽當成生長的養分,取代原本磷酸鹽的功用。

  沃夫西蒙表示:「我們從研究資料可以看出,砷酸鹽全方位取代了磷酸鹽;如果我們沒錯的話,這種微生物已經成功用新的方式存活下來了。」

生命的彈性

  沃夫西蒙指出,在化學元素週期表中,砷就排在磷的下面,因此以化學結構來看,這兩種元素其實並非那麼天差地別。此外,在構成生命的六大要素碳、氫、氮、氧、磷、硫中,磷在地表上的分布其實是比較不均的,如果把一種微生物放進試管中培養,可以迫使它仰賴砷存活下去,或許最早的生物也在充滿砷的環境中誕生,而仰賴磷的生命形式是後來才出現的。甚至,說不定在地球上某個未知的角落,或是外太空的某塊石頭上,其實有一個砷元素建構而成的影子生物圈(shadow biosphere)。

美國加州優勝美地附近的莫洛湖空照圖。莫洛湖是火山形成的湖,以其獨特的生態系為科學家駐足研究(出自:英文維基)

  沃夫西蒙說:「重點不在砷元素,也不在莫諾湖;了解生命的彈性才是最重要的。任何一種生物,不管是一隻微生物,或是一棵樹,你把它打散,就可以得到構成生命的六大要素。但這只是生命的其中一種形式,我們對別的生命型態一無所知,自然無從找起。」

  砷和磷某種程度上很相像,這也正是為何砷的毒性如此之強,因為生物體往往無法區分砷和磷,砷便悄悄潛入生物細胞。砷進到生物細胞裡後,就會跟磷元素競爭,與硫結合,或封住整個細胞,造成細胞死亡;有些微生物可以把電子傳給砷,藉此「保持呼吸暢通」,但就算是在這種情形下存活,劇毒的砷也並未進到細胞內部。

  砷酸鹽如何取代磷酸鹽在細胞內的功能,研究團隊目前還理不出頭緒。生物體傳遞能量的通貨三磷酸腺苷(ATP)裡的「磷」,指的正是磷酸鹽;此外,構成DNA雙螺旋的主要物質,亦即承載生物體遺傳指令的分子,也是磷酸鹽組成的。根據基礎生物化學的觀念,這些分子如果不由磷酸鹽組成,而是由砷酸鹽組成,結構會非常不安定,分子會解體。

  南佛羅里達大學坦帕分校(University of South Florida in Tampa)的生物地球化學家帕賽克(Matthew Pasek)表示:「我們已知的所有生物,用的都是三磷酸腺苷以及磷酸化的DNA。」他直言,這項新研究非常有趣,也非常不可思議,不可思議到應該要更深入探討,進一步研究GFAJ-1細菌使用砷酸鹽的確切方式。

  帕賽克表示,磷酸鹽和砷酸鹽都會聚合成團,且都帶有些微的負電荷,而DNA帶有少許正電荷,因此會被成團的磷酸鹽或砷酸鹽吸引;因此他猜測,或許這項研究偵測到所謂DNA裡含有砷,只是砷酸鹽集結成團後,被吸引過來的DNA包覆住而已。

  而亞利桑納州立大學坦佩分校(Arizona State University in Tempe)的地球化學家夏柯(Everett Shock)則表示,GFAJ-1細菌用砷取代磷酸鹽,很可能是選擇性的,只用在特定幾個機能裡,並沒有完全取代。但夏柯也說,這份研究真正的價值,並不是這些具體的細節。「這份研究讓我們了解,構成生命的六大元素,是有可能以其他元素代換的。」這樣的研究「拓展了我們的視角;我們得觀察未來還可以如何發展」。

  

本文譯自:NASA Unveils Arsenic Life Form(ScienceNews / Wired.com)

責任編輯:MissZoe

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6 thoughts on “【生命科學】美國太空總署發現奇異「砷」物 顛覆生命元素假設

  • 2010 年 12 月 08 日 at 16:58:48
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    其實這個故事還正在熱騰騰的上演續集呢。

    英屬哥倫比亞大學的微生物學家Redfield上週末在她的部落格上質疑這篇文章的科學性。

    文章發表後,許多科學家跟進批評,NASA一開始還很象牙塔的說,這不過是『部落格文』我們的要的是『刊在期刊上』的批評。(因為網路上開始大開筆戰,有些科學作家還比喻那位Redfield就像位傳道的牧師,但是有人說她因為沒站在祭台上說這些話,所以不算。)。

    可是等等,是誰在自家的網路上亂打廣告詞,很顯然地要把我們誤導到找到外星生物上。

    因為有人不斷的批評他們實驗的過程中的污染可能,在昨天的記者會上,NASA終於說,你們要的話,我這個細菌給你們,你們自己去做實驗吧。這個爭論,應該不久後就可以真相大白了。

    再八卦一下GFAJ=Get Felisa A Job.... (希望她的願望能成真)

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  • 2010 年 12 月 08 日 at 17:06:54
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    喔喔~~真精彩。(是說我一直很好奇...NASA跟地球上的新細菌的關連是什麼?為何是他們來發佈這個消息?以及這消息即便屬實,跟外星人顯然也是沒關的。)

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    • 2010 年 12 月 09 日 at 05:46:27
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      http://t.co/xKUQzTH
      這樣子好了-- 希望今天英國衛報上的報導,可以解答你的疑問。

      (不過作者自己的第一個回覆實在也精闢:不知道用法的可以google查一下。)

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  • 2010 年 12 月 09 日 at 13:35:47
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    所以爭議在於:
    1.NASA號稱有外星生命新發現,其實是唬爛。
    2.有人質疑該研究結果。

    其實Wolfe-Simon做的研究似乎就是把各式各樣extremophile細菌丟到磷剝奪的培養環境,並且逐漸提高砷酸根含量,看看能不能篩出什麼奇異的菌種還能存活。
    總覺得質疑的人都是在吃味:嘿,簡單。這樣就能上Science了喔。我為啥想不到...想不到...(創傷模式on)

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  • 2010 年 12 月 09 日 at 16:55:07
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    我倒是不覺得這是吃味的結果,Science的影響力本來就很大,會有這樣的反應很正常。但是之前有NASA的廣告加油添醋(廣告是真的沒說他們找到外星生命,只不過很容易讓我們有過多聯想),還有後來一開始象牙塔式的態度,讓『網路型』的正港科學家與科學作家有點不高興。

    整個事件中,值得注意的是網頁與社交網路的影響力,讓peer review系統有了新的衝擊。

    以下是為科學作家Zimmer自己主導的另類及時peer review(太厲害)。
    http://bit.ly/eOMsmI

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  • 2010 年 12 月 09 日 at 17:43:14
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    前面的回應引起我去讀原論文,讀新聞時我的確以為真的發現DNA中的phosphate 被arsenate取代了。(That would be astonishing results!)
    再讀你附的這篇review,不得不稱讚美國科學社群的成熟水準。八卦歸八卦,八卦之外不難看到言之有物的專業意見。
    這是一個好的STS case。

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