【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。

　　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）。

　　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