GFAJ-1
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GFAJ-1是一種杆狀鹽單胞菌科（Halomonadaceae）嗜極細菌。該細菌能在缺乏磷元素的環境中吸收通常被認為有劇毒的砷元素進入細胞內，並利該元素合成類似ATP、磷脂等有機化合物或對蛋白質進行翻譯後修飾。這種細菌甚至能用砷元素合成DNA與RNA等重要的生物高分子。[1][2]
GFAJ-1
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| 在含砷培養基上生長的GFAJ-1菌落 | |
科學分類 
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| 域： | 細菌域 Bacteria |
| 門： | 假單胞菌門 Pseudomonadota |
| 綱： | γ-變形菌綱 Gammaproteobacteria |
| 目： | 假單胞菌目 Pseudomonadales |
| 科： | 鹽單胞菌科 Halomonadaceae |
| “ | 這種有機體（GFAJ-1）來自大自然……是一種已知細菌，並非全新品種，但先前沒有人發現它有這個能力（在缺磷條件下藉助砷生存繁殖）。 | ” |
| ——阿里爾·安巴爾 | ||
長期以來，大部分假說都認為外星生命或與地球生命有着截然不同的化學組成。如這項發現被確認，其將在很大程度上拓寬科學界以往對構成生命的基本元素的認知，還可能為科學家探索外星生命提供新參考依據[2][3]。
發現歷程
GFAJ-1是由一位美國宇航局（NASA）太空生物學研究員、前亞利桑那州立大學地球和空間探索學院學者、地質微生物學家費莉莎·沃爾夫－西蒙（Felisa Wolfe-Simon）在美國加利福尼亞州[4]的美國地質調查局駐地發現並培養的。2010年12月2日，這項發現被公之於眾[4]。
2009年，費莉莎及其同事在加州莫諾湖岸邊的沉積物中對此微生物群落進行了分離並開始隔離培養。[3]門洛湖是一個鹹水湖，且其湖水中砷濃度之高也在世界湖泊前列（達200μmol/L）。[5]
分類
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| GFAJ-1與相關細菌（基於核糖體DNA序列同源性）的種系發生[6] |
據對該細菌16S rRNA測序的結果，在生命大家族的族譜中，GFAJ-1應與鹽單胞菌科的其他親鹽類細菌具有親緣關係[5]——這些細菌都是已知的可耐受高濃度砷環境的物種，它們都有從外界環境吸收砷的傾向——但GFAJ-1在這方面卻更勝一籌：在缺乏磷元素的情況下，GFAJ-1能夠吸收砷來取代含磷化合物中的磷從而繼續存活下去。這種細菌能讓砷參與其新陳代謝過程，甚至合成其生物高分子化合物。[3]
培養與檢測
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為了驗證GFAJ-1可以在莫諾湖環境裏以砷代替磷來生存繁衍的猜想，沃爾夫-西蒙在湖岸採集了GFAJ-1的樣本並嘗試着利用無磷培養基培養它們。所謂「無磷培養基」，是以40mmol/L砷酸鹽為主要溶質、仍可能含有3.1 (± 0.3)μmol/L殘留磷酸鹽雜質的試劑。 研究人員發現在高砷無磷的環境下，該細菌仍能夠生長和繁殖，且六天時間內細菌濃度增長了20倍，這個速度僅比在傳統的含磷培養基中稍慢。在高砷環境中，GFAJ-1的含砷量佔到其乾重的0.19%——而在對照組中砷的含量僅為0.001%。在試劑中完全除去磷或砷都將阻礙GFAJ-1細菌的生長。在缺磷環境下，該細菌的磷含量只佔其乾重的0.019 (± 0.001) %，是在1.5mmol/L的純磷酸鹽溶液（不含砷酸鹽）中培養後測得的含量的三十分之一，也只有其他大多數細菌的百分之一左右，且這時的磷含量僅僅占該細菌細胞砷含量（乾重佔0.19(± 0.25)%）的十分之一[5]。當放入砷酸鹽溶液中培養時，GFAJ-1的生長速率只有在磷酸鹽溶液中的60%[1]。研究同時發現，在缺磷環境下，細菌的細胞內容積擴增至正常情況下的1.5倍。據猜測，增大的容積可能與與其細胞內部大液泡的出現有關[3]。 研究人員利用同位素示蹤法研究了GFAJ-1細胞內砷元素的分佈：他們將用放射性同位素標記過的砷酸鹽添加入溶液中以追蹤其中砷元素的動向，發現（標記過的）砷元素出現在了GFAJ-1細胞中的蛋白質、脂質和ATP等有機物中，研究人員甚至在其DNA和RNA中也發現了砷元素的存在[1]。 研究人員用酚/氯仿抽提法來萃取靜止態（stationary phase）缺磷GFAJ-1細胞的核酸（先後用1體積苯酚、3體積苯酚與氯仿的1:1混合液及1體積氯仿萃取核酸），再利用乙醇沉澱。對獲得的核酸進行的放射性測量顯示：GFAJ-1細胞吸收的砷元素中，約有百分之十（11.0±0.1%）最終進入其核酸分子內[5]。
猜想
| “ | 我們不僅假設，類似已知生命形態的生化系統能夠利用砷酸鹽取代磷酸鹽在生物方面的作用；我們還猜測，這類有機體曾出現在遠古時期的地球，甚至依然在當今地球某些特殊的環境中生存。 | ” |
| ——費利莎·沃爾夫－西蒙 | ||
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原核細胞與真核細胞的磷脂（細胞膜結構的主要成份）、三磷酸腺苷等細胞直接能源物質及DNA等儲存遺傳信息並控制蛋白質表達的重要高分子化合中都存在磷酸酯結構，而在缺磷環境中的GFAJ-1細胞中，砷元素可能代替磷形成了與磷酸酯類似的砷酸酯（如出現在砷化DNA中的砷酸酯）。但由於砷的非金屬性比磷弱，所以砷酸酯的穩定性比磷酸酯差且更易水解[7]。如果研究人員對實驗的結論（GFAJ-1將砷用於合成它的DNA和其他生物大分子）無誤，那麼GFAJ-1一定進化出了某種提高砷酸酯穩定性的方法，或是通過其他途徑打破了這個局限。據沃爾夫-西蒙推測，GFAJ-1能通過將含砷分子隔離在富含聚-β-羥基丁酸酯（poly-β-hydroxybutyrate）的大液泡中從而將砷酸酯的穩定性提高到一定程度並且降低水的活性度。值得注意的是，這些大液泡只在該細菌被培養於含砷環境下時才會出現，在含磷環境下則沒有[5][8]。
質疑
史蒂芬·A·班訥（Steven A. Benner）對該細菌DNA能以砷代磷表示質疑，認為沃爾夫－西蒙在實驗室培養時所用的培養液中雜質里的磷酸鹽含有量已足以滿足細菌DNA對磷的需求。因而他堅信砷化物更有可能被用於細菌細胞的其他部位。[1][3]
在線雜誌《Slate》的科學編輯卡爾·齊默（Carl Zimmer）在談論到科學家對此的質疑時表示：「我與許多專家進行了溝通……他們均一致表示，NASA的科學家們把這個事情搞砸了。」[9]不列顛哥倫比亞大學的微生物學家羅茜·雷德菲爾德（Rosie Redfield）認為這一論文裏面「並未對DNA或者其它分子中含有砷提供強有力的證據」，並且提出試驗缺乏清洗步驟以及對照實驗，因此不能證明他們的結論是正確的[10]。哈佛大學微生物學家亞歷·布拉德利（Alex Bradley）評論道，論文中提到的含砷化合物在水中很可能是不能穩定存在的[9]。
意義
GFAJ-1是現已知的生命中首個可以在磷含量極少乃至無磷環境中生長的物種。這個發現在太空生物學領域上可謂意義深遠。一些太空生物學家們據此推斷說，這表明了當處於可用磷大量短缺的環境中時，生命體依舊可以存在，從而延展了在宇宙中其他地方找尋生命的可能性[2][3]。長期以來的假說認為，外星生命或與地球生命有着截然不同的化學組成，而此項發現正為該假說提供了強有力的證據，並或可對尋覓外星生命有所助力[1][2][3][11]。也有推測稱這種以砷代磷的現象可以追溯到地球的生命起源，因為這種現象可能發生在富含砷的海底火山環境中[12][13]。
參考文獻
- ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 卡特斯奈爾遜, 阿拉. 亲砷微生物或可重定义生命的化学概念. 《自然新聞》. 2010-12-02 [2010-12-02]. （原始內容存檔於2012-02-24） （英語）.
- ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 Palmer, Jason. “亲砷细菌将有助于搜寻外星生命. 《BBC新聞》. 2010-12-02 [2010-12-02]. （原始內容存檔於2010-12-03） （英語）.
- ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 鮑特曼, 亨利. 亲砷细菌点明外星生命形态新可能. Space.Com 網站. 2010-12-02 [2010-12-02]. （原始內容存檔於2010-12-04） （英語）.
- ^ 4.0 4.1 鮑特曼, 亨利. “寻觅外星生命于地球”. 《太空生物學》雜誌 (美國宇航局). 2009-10-05 [2010-12-02]. （原始內容存檔於2013-07-09） （英語）.
- ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 費莉莎·沃爾夫－西蒙，等人. 一种能利用砷取代磷来生长的细菌. 《科學》雜誌. 2010. doi:10.1126/science.1197258 （英語）.
- ^ Wolfe-Simon, Felisa; Blum, Jodi Switzer; Kulp, Thomas R.; Gordon, Gwyneth W.; Hoeft, Shelley E.; Pett-Ridge, Jennifer; Stolz, John F.; Webb, Samuel M.; Weber, Peter K.; Davies, Paul C.W.; Anbar1, Ariel D.; Oremland, Ronald S. A bacterium that can grow by using arsenic instead of phosphorus: Supporting online material (PDF). Science. 2010-12-02 [2010-12-02]. doi:10.1126/science.1197258. （原始內容存檔 (PDF)於2011-01-04）.
- ^ 韋斯特海默, 弗蘭克·亨利. 缘何大自然选择了磷？ (PDF). 《科學》雜誌. 1987-03-06, 235 (4793): 1173–1178 (see pp. 1175–1176) [2010-12-03]. doi:10.1126/science.2434996. （原始內容 (PDF)存檔於2011-06-16） （英語）.
- ^ 鮑特曼, 亨利. “茁壮成长的砷”. 《太空生物學》雜誌 (美國宇航局). 2010-12-02 [2010-12-04]. （原始內容存檔於2010-12-04） （英語）.
- ^ 9.0 9.1 Zimmer, Carl. Scientists see fatal flaws in the NASA study of arsenic-based life. Slate. 7 December 2010 [2010-12-07]. （原始內容存檔於2011-09-23）.
- ^ Redfield, Rosie. Arsenic-associated bacteria (NASA's claims). RR Research blog. 4 December 2010 [2010-12-04]. （原始內容存檔於2010-12-07）.
- ^ 莫諾湖的砷能證明存在暗藏的生物圈嗎？ （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）（英文）, 泰晤士報, 2010年3月4日, 2010年12月2日續
- ^ 瑞利, 米高. “早期生命或仰赖于含砷DNA”. 《新科學家》雜誌. 2008年4月26日, 198 (2653): 10 [2010年12月4日]. doi:10.1016/S0262-4079(08)61007-6. （原始內容存檔於2008年7月25日） （英語）.
- ^ 潘尼西, 伊利沙伯. 毒？细菌以砷构建DNA以及其他生物分子. 《科學》雜誌 (美國科學促進會（簡稱AAAS）). 2010年12月3日, 330 (6009): 1302 [2010-12-02]. doi:10.1126/science.330.6009.1302. （原始內容存檔於2010-12-08） （英語）.
外部連結
- 美國宇航局－《太空生物學》雜誌：「尋覓外星生命於地球」（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）（英文）
- 美國宇航局：「美國宇航局研究基金會發現了以有毒物質構建的生命體」（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）（英文）
- 自然新聞：「食砷微生物或可重定義生命的化學概念」（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）（英文）
- 費莉莎·沃爾夫－西蒙的網站（英文）
