菌株GFAJ-1，是一个常见细菌群Gammaproteobacteria的成员。2010年12月3日，美国宇航局宣布，研究人员在加利福尼亚莫诺湖进行的试验首次发现，地球上的微生物也可以利用有毒的化学元素砷生长、繁殖，菌株GFAJ-1在其细胞成分中以砷取代了磷。

详细介绍

实验相关(实验机构：美国国家航空航天局 实验发现地点：莫诺湖 实验对象：微生物 磷 砷)

研究背景

研究意义(生命还有其它形式 生命六种基本元素论成见打破)

解读NASA发布会：地球上的“外星生命”(被推翻的生命的基本元素 为什么是砷取代了磷？ 我们惧怕的环境也许有生命欣欣向荣)

研究过程

详细介绍

菌株GFAJ-1是一个常见细菌群Gammaproteobacteria的成员，研究人员用一种非常依赖于磷的食物成功地培育出这种微生物，但砷在其中发挥了巨大的协助作用。当研究人员将磷去掉，换成砷，这些微生物仍可以继续生长。随后的研究发现，砷被用于产生新GFAJ-1细胞的“砌块”。研究人员研究的最重要的问题是，当这种微生物依靠砷生长时，砷实际上已经成为这种生物重要的生物化学体系(诸如DNA、蛋白质和细胞膜)的一部分。 北京时间2010年12月3日，美国宇航局在新闻发布会上宣布，研究人员在加利福尼亚莫诺湖进行的试验首次发现，地球上的微生物也可以利用有毒的化学元素砷生长、繁殖。这种微生物在其细胞成分中以砷取代了磷。

这项研究成果将促使科学界重新检视许多领域目前正在进行的研究，其中包括对地球演化的研究、有机化学、生物地球化学循环、缓解疾病以及地球系统研究。这些发现也将在微生物学和其他研究领域新的战场。

美国宇航局天体生物学研究所所长卡尔·皮切尔表示：“替换生命的化学成分这样的想法在科幻作品中很常见，但在此之前，将砷作为砌块，形成生命，只在理论上存在，但现在我们知道莫诺湖中就有这样的生命存在。”

实验相关

实验机构：美国国家航空航天局

美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration）简称NASA，台湾译作“美国国家航空暨太空总署”，是美国负责太空计划的政府机构。总部位于华盛顿哥伦比亚特区，拥有最先进的航空航天技术，它在载人空间飞行、航空学、空间科学等方面有很大的成就。它参与了包括美国阿波罗计划、航天飞机发射、太阳系探测等在内的航天工程。为人类探索太空做出了巨大的贡献。

实验发现地点：莫诺湖

莫诺湖（Mono Lake），位于美国加州东部，靠近内华达州，在优胜美地

（Yosemite）国家公园东入口附近。|Google Maps链接| 面积约60平方英里，是北美最古老的湖泊之一。湖深二百英尺，湖水的碱性极强，如果你把绝无希望洗干净的衣服放在里面浸一两下，再把它拧干，它就会干净得如同经过了最能干的巧妇之手。由于没有出口，湖水经长期蒸发，盐及矿物质大量留存在湖中，使得莫诺湖的咸度比海水高两倍半。

实验对象：微生物

微生物(microorganism简称microbe ）是包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物、显微藻类等在内的一大类生物群体，它个体微小，却与人类生活关系密切。

磷

第15号化学元素，处于元素周期表的第三周期、第VA族。磷存在与人体所有细胞中，是维持骨骼和牙齿的必要物质，几乎参与所有生理上的化学反应。磷还是使心脏有规律地跳动、维持肾脏正常机能和传达神经刺激的重要物质。没有磷时，烟酸不能被吸收；磷的正常机能需要维生素(维生素食品) D 和钙(钙食品)来维持。

砷

砷 (arsenic)是一个知名的化学元素，元素符号As，原子序 33。第一次有关砷的纪录是在1250年，由大阿尔伯特所完成。它是一种以有毒著名的类金属，并有许多的同素异形体，黄色(分子结构，非金属)和几种黒、灰色的(类金属)是一部份常见的种类。三种有着不同晶格结构的类金属形式砷存在于自然界(严格地说是砷矿，和更为稀有的自然砷铋矿和辉砷矿，但更容易发现的形式是砷化物与砷酸盐化合物，总共有数百种的矿物是已被发现的。砷与其化合物被运用在农药、除草剂、杀虫剂与许多种的合金中。

研究背景

碳、氢、氮、氧、磷和硫是地球有所有已知生命形式的六大基本构建元素。其中，磷是携带生命基因的DNA和RNA的主要化学成分，被认为是所有活细胞的最重要的元素。磷还是所有细胞(三磷酸腺苷)中携带能量的分子以及构成所有细胞隔膜的磷脂的核心成分。

但是，新发现的细菌并不是这样，它完全不同，其细胞成分中以砷取代了磷。这种情况通常被认为是完全不可能的，因为砷对地球上多数生命有毒。这一发现表明人类对生命本身的理解还存在许多未知领域，同时也暗示完全有可能在其他行星上发现与地球生命不同的生命形态。

这项研究的首席科学家、美国宇航局研究员费利萨·沃尔夫·西蒙表示：“我知道有些微生物可以呼吸砷，但我们发现的微生物与众不同，它的部分机体组成由砷构成。如果地球上的某些东西可以做这样一些出乎我们意外的事情，那么生命还能做哪些我们还未发现的事情呢？”

研究意义

美国宇航局网站称，这项由美国宇航局资助的研究项目将改变科学家对地球上所有已知生命构成的基本认识。新的生命构成成分的发现将改写生物教科书，使地球外寻找生命的范围得以拓展。这项研究成果将发表在《科学快讯》上。

对于菌株GFAJ-1的新发现，美国宇航局负责科学任务的副局长埃德·维勒尔在华盛顿表示：“生命的定义因此扩展了。由于我们正在太阳系寻找生命迹象，所以，我们的思维必须更开阔一些，角度更多一些，对未知的生命进行研究。”

生命还有其它形式

科学家说结果如果被确认，那么“生命是什么、生命存在于何处”概念的范围将扩大。哈佛史密森天体物理中心天文学家Dimitar Sasselov（未参与该项目）说：“当你看生命时，它基本上是很神秘的。自然只用有限的分子和化学反应，就创造出成千上万的形式。这第一次给了我们希望：也许还有其它选择。”NASA天体物理学家费丽莎·乌尔夫·西蒙（Felisa Wolfe-Simon），她领导该项目，她说：“生命如何以其它方式生存？该细菌解决了此问题。”她还说，这与单色湖或者砷无关，而是“推开了一张门，发现我们原来认为的关于生命的固有观念并不是那么回事。”

本周五，费丽莎·乌尔夫·西蒙与其团队成员将公布其发现。

哥伦比亚大学天体生物学家沙尔夫（Caleb Scharf，并未参与项目）说，他很惊讶，“这就像你、或者我被扔到一个满是电子残留物的房间，没啥可吃，然后变成了一个完全的机械人。”

加州斯克利普斯研究院(Scripps Research Institute)化学家、分子生物学家乔伊斯（Gerald Joyce）则说，这项工作“证明一个原则，你可以有一个不同的生命形式。”他说，这种细菌有可能会被定义成第三种生命形式，像深海的极端微生物一样。

生命六种基本元素论成见打破

搜索外星生命时范围要扩大

发现可能会对太空任务产生影响，如到火星或者其它地方寻找生命。这些实验性任务主要是搜索一些化学元素，它们的反应，认识这些元素及其反应是以地球生命的形成为依据的。1976年海盗号曾试图在火星寻找生命，但失败而终，费丽莎·乌尔夫·西蒙说，当时还没有发现深海的新生物，也没有南极洲干谷的概念。

沙尔夫则说：“我想知道的是，在设计这些实验与设备来寻找生命时，我们是否在寻找和地球一样的物质条件，或者还有其它的选择。我们是不是在寻找我们熟知的地球分子，还是要扩大搜索范围？”

众所周知，很长一段时间来，人们都认为磷是生命的六种基本元素之一。其它五种是碳、氧、氮、氢和硫。

为了一些特别的目的，生命中的一些元素会被替代，便至今没有发现这六种基本元素被替代的物种。现在，科学家有事可干了，除了磷外，其它的必备元素是否也能被取代，这是否有可能？在科幻小说中，作者们常常喜欢用硅来替代碳。

磷是组成DNA和其化学键的主力，尤其对三磷酸腺苷这种知名的分子来说更是不可缺，因为生物要用它来储存能量。

沙尔夫说：“它像是电池，用细胞来携带能量。”一旦达到160摄氏度（320华氏温度），它就分解，这是生命的极限。

在化学周期表中，砷刚好处在磷之下，它们有相似的共性。费丽莎·乌尔夫·西蒙说，实际上这种相似性让砷含毒，它可以轻易进入细胞进行破坏，像坏汽油进入到引擎中一样。

解读NASA发布会：地球上的“外星生命”

被推翻的生命的基本元素

CHONPS，看起来熟悉吗？这不是一个单词，这是中学生物课本上让我们背诵的生命的六大基本元素：碳、氢、氧、氮、磷、硫，它们一起组成了生物体所需的各大物质：核酸、蛋白质、糖类、脂类。其实对于这六位，我们也许早就想过“彼可取而代也”：我们在各种科幻作品中看见过多次“硅基生命”这个词：在元素周期表上碳下面一行的硅，取代碳成为生命的基石。不过，被科学首先证实的类似取代，却发生在了排在第五位的磷而不是碳身上，我们猜到了开头，却没有猜到结局。

一起来回顾一下磷元素在生命中的作用：

作为遗传物质基础的DNA，大名是脱氧核糖核酸，而它的基本组成单位就是一分子磷酸连着一分子五个碳原子的糖，再加上一个碱基。好吧，我在说什么，化学都还给老师了不要紧，请看下图：一段解开的DNA双螺旋，重要的是DNA的两根长链就是用红圈中磷酸分子连接起来的。

继续回忆中学生物，负责转录遗传密码并把它们翻译成蛋白质的RNA，不论它是信使、转录的密码、还是作为蛋白质工厂的核糖体，它的单链结构和DNA差不多，也是磷酸作为基本骨架连接起来的。

也许有相当一部分人还记得ATP的大名，生物界通用的“能量货币”，它的全名叫做三磷酸腺苷。 另外，可能还有人记得组成细胞膜的是磷脂双分子层，光合磷酸化和氧化磷酸化反应，以及各种磷酸的激酶。

因此，如果新的研究告诉你课本上这些磷字都可以换成砷，红圈圈和ATP中的P都可以写成As，科学家们要内牛满面了，你懂得吧。

为什么是砷取代了磷？

为什么不是硅取代了碳？简单而直接的原因是，GFAJ-1菌株是在一个砷很多而磷很少的湖里被发现的。

不过，我们也可以放在整个地球这样的大环境中来考虑这个问题：碳在大气中以二氧化碳，甚至在生命诞生初期以甲烷的形式无处不在，而且石灰岩中的碳酸盐也是随处可见，硅虽然以二氧化硅的形式广泛存在于岩石中，但它们的化学性质很不活跃，难以被大部分生物利用。

而磷的情况怎么样呢？磷几乎不存在于大气和水中，天然的磷单质也不存在（因为大家都知道的“自燃”），地球上的磷主要储存在磷酸盐矿石中。而磷酸盐的化学性质很稳定，这也是为什么我们的骨骼有磷酸钙的成分，因为磷酸钙实在是很结实。这种结实的物质需要生物们费很大力气和很多时间才能把它用到参与生命过程的反应中去，因此地球上有很多地方容易出现因为磷而“饥饿”的生态系统。

元素周期表里排在磷下面的砷，同样也主要存在于矿石中，不过砷也有天然的单质，它并不比磷更难利用，甚至在一些地方比磷更丰富——比如莫诺湖。其实砷之所以有毒，就是因为它太容易被生物错用：砷作为和磷类似的物质，时常参与到生物的新陈代谢中，常温下的试管里，AMP（单磷酸腺苷，比ATP少两个磷酸的东西，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。因为由砷组成的物质干扰了本该由磷来参与的生命过程，所以它有毒，著名的毒药比如砒霜，即三氧化二砷。

通常条件下，为什么能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，作为一种罕见的嗜极生物，做到了把砷安全地利用起来：它也许并没有把细胞中的磷全部替换为砷，但它们含有砷酸的DNA甚至扛住了实验室提取的一系列过程，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。

其实，在莫诺湖发现利用砷的生物已经不是新闻。早在2008年，就已经发现了用光能氧化亚砷酸，而不是光解水来进行光合作用的细菌。不过这种细菌只是将砷的化合物作为光反应中的电子提供方来固定二氧化碳，但是这次发现的GFAJ-1菌株却在用砷组成自身的各种关键分子，因此被称作“砷基生命”而引起了学术界的轰动。

我们惧怕的环境也许有生命欣欣向荣

科学家们推测这些以砷为生的生命没准儿是我们这颗星球上很古老的居民。在地球上的磷还没有被生物圈搬运到全世界的时候，也许很多地方的生物只能靠砷吃饭，用亚砷酸来进行光合作用的生物也许也比现代我们熟悉的光合生物出现得早。如果原始地球是这样一种景象，那么何况外星呢？我们认为砷基生命的结构不稳定，只是在我们这个物种的体温和我们感到舒适的室温条件下，而在-180摄氏度的土卫六的情况又如何呢？

那些“不适合生物生存”的星球也许只是由于我们认识局限的一厢情愿，至少在今天，我们知道生物学家们长期以来熟悉的地球生命六大元素就有可能被取代。“科学始于当你不相信专家之时。”NASA发布会上的一位嘉宾这样说。

最后，我的感叹是，元素周期表真是一个神奇的东西。我想起了一部叫做《进化》的老电影：当外星生物在地球上飞速进化，威胁人类生存时，主角从砒霜的毒性中得到灵感，在元素周期表中找到了对付外星人的大杀器——海飞丝，于是若干加仑的海飞丝成功地拯救了人类，不过那部喜剧中海飞丝的武器成分好像是硒。如果真有哪一天，纯粹的砷基外星生命入侵地球，说不定含磷丰富的各种洗涤剂真的能成为能毒死外星人的猛药，实乃居家旅行，杀人灭口之必备。

研究过程

预测、寻找、培养、发现……

2006年在美国亚利桑那州一个外星生命讨论会上，费丽莎·乌尔夫·西蒙曾暗示，一种用砷替代磷的生命形式是可能的。后来在《天体生物学》的一份报告上，她与其它几位科学家预测一种“砷”式生命形式将可以存在。

一直支持这种观点的大卫博士说：“终于让费丽莎发现了”，他们一直在野外搜寻生物，也在太空寻找。

大卫博士与费丽莎·乌尔夫·西蒙联合发表了报告。

为寻找到这种生物，费丽莎·乌尔夫·西蒙从单色湖提取土壤，单色湖含盐、碱性、拥有大量的砷。他们认为这类“砷”式生命极可能存在于含有丰富砷的环境中。

尽管自己相信以砷为食的有机体的确存在，不过费丽莎·乌尔夫·西蒙还是说，每天去实验室时都要摒住呼吸，担心微生物会死掉，但没有。她说：“对于微生物学家来说，光有物质没有意义。”

新发现的微生物名为菌株GFAJ-1，它是常见细菌群Gammaproteobacteria的成员，它是湖中成长最好的细菌。在砷中，这种细胞比在磷中成长要大60%。在放射性环境下，研究者发现砷原子在DNA能占据重要位置，如同其它元素在分子中一样。因此研究者找到了确证，砷的确能在DNA中成为主要元素。

值得一提的是GFAJ-1在磷的辅助下，它可以成长得更好，在某些方面GFAJ-1还是喜欢以磷为食。

研究者称尽管极力喂食砷，但在该细菌中还是有一些磷元素。