2010年12月4日星期六

ZT 解读NASA发布会:地球上的“外星生命” ZT

解读NASA发布会:地球上的“外星生命”: "

“砷基生命”


今年年底“NASA开发布会”似乎注定会成为一个成语典故,北京时间2010年12月3日凌晨3:00,NASA在它的华盛顿总部又一次公布了一个“震撼世界”(其实原文是exceptional,非凡的 )的消息:我们在地球上,确切地说是在美国加州的莫诺湖(Mono Lake,题图),发现了对太空生物学很重要的东西:一种exceptional的细菌,我们姑且可以称它“砷基生命”。


莫诺湖的湖水盐度和碱度极高,也是世界上的天然水体里砷含量最高地方的之一,这种极端的生境造就了不少耐受极端环境的生物。而由NASA赞助的科学家Felisa Wolfe-Simon在湖底发现并在实验室成功培育的GFAJ-1菌株——属于变形菌门(Proteobacteria),比单纯耐受环境更向前走了一步,它利用本该忍受的物质作为自身生命的基础:对大多数生物有毒的砷,被它用来作为磷的替代物成为细胞的基本元素。


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Felisa成功用砷培养出的GFAJ-1菌株,放射性同位素标记证实了它们用砷组成自身(NASA)


如此看来,GFAJ-1确实是地球生命中的另类,但这和NASA所说的太空生物学有什么关系?GFAJ-1的exceptional之处在于,它第一个证实了生命必需的元素可以替代的想法,因此,那些过去被描述为“不适合生命”的外星环境,也许需要重新审视,它们也许实际上对于当地的生命来说是一片沃土。


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。


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DNA的一段,双链通过中间的碱基对结合在一起,红圈标出了磷酸作为长链骨架的重要位置


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(如果大家真的都记得,小编内牛满面)……


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,呃,反之亦然……


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。



来源:果壳“自然控”主题站


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