显微镜下名为GFAJ—1的食砷细菌。

美国加利福尼亚莫诺湖

核心提示

2010年12月2日，美国宇航局表示在地球上发现了全新的微生物，它能利用含剧毒

的砷（三氧化二砷，俗称砒霜）进行新陈代谢。这个由美国宇航局资助的研究项目改变

了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命教科书，使地球外寻找生命的范围得以拓展。“砒霜”为什么毒不了它？这次发现的微生物可以用砷来代替磷，这是个案还是“另一扇门”的开始？是否还有更多人类未知的生命形式？我们请中国科学院南京地质古生物研究所的袁训来老师为我们解读。

特殊环境的产物

辽宁日报：12月初，美国宇航局表示在地球上发现了一种全新的微生物，它能够利用含剧毒的砷，也就是俗称的砒霜，来进行新陈代谢。这无疑是对我们已有认知的一个挑战，我们不禁要问，这种微生物真的靠砒霜生存吗？

袁训来：对于砷，也许很多人会感觉陌生，但说到砒霜，就无人不知了，砒霜正是砷的一种化合物，化学名称是三氧化二砷，是有剧毒的。同样，砷是一种以有毒著名的类金属，砷的化合物可以用于杀虫以及医疗，砷和它的可溶性化合物都是有毒的。

你所说的这种靠砷来新陈代谢的微生物是美国宇航局在加利福尼亚的莫诺湖发现的，它的确是依靠砷来维持生理机能的。

辽宁日报：对于我们来说的剧毒，竟然是这种微生物的生存必备，为什么砷毒不到它，反而滋养了它？

袁训来：简单来说，这种微生物的特质是环境造就的。如果了解一下莫诺湖的具体环境，我们就会发现，这个湖里会产生这种特殊的微生物是可以理解的。

莫诺湖位于美国加州东部，是加州第二大湖，是北美最古老的湖泊之一，湖水没有出口，全靠蒸发，所以湖水的盐度和碱度极高。同样，由于周边地区矿物中富含砷，莫诺湖湖底的泥里富含大量的砷，这使其成为世界上天然水体里砷含量最高的地方之一。在这样一个极端的生存环境下，要想在里面生存，就必须要适应这样一个盐度高、碱度高、砷浓度也高的环境。

辽宁日报：如果将普通鱼类放入这样的湖水当中，应该不会存活吧？

袁训来：普通的鱼类放入这样的环境当中，肯定会非常不适应，存活的几率很小。这种微生物之所以能够依靠砷来新陈代谢，有一个非常重要的条件，就是有足够的适应进化时间。我认为这种微生物最初还是和地球上大多数生命一样，是不能承受那么多的砷的。在莫诺湖早期形成的时候，湖内应该有许多生物，这些生物与我们现在的多数生命一样，但是随着时间的推移，莫诺湖的盐度、碱度、砷浓度逐渐增加，有的生物无法适应，就在这个湖里绝迹了，而有的生物却逐渐适应了环境，生存了下来。这种微生物就是经过了子子孙孙们的“努力”，不仅适应了这样的环境，而且把砷“化为己用”，这是生物在进化过程中变异的结果。

辽宁日报：这种微生物的适应能力与总能适应农药的害虫有点相似。

袁训来：我们都知道，害虫对于农药的适应性会导致害虫的抗药性。还有一个例子，就是我们刚刚研制出新的疫苗，在使用一段时间后，却发现细菌也变异得强大了。这里的细菌与这种特殊的微生物更加相似。它们虽然都是低等生物，但是它们的形态、结构却是多变的，所以有着更强大的适应能力。相对于低等生物的多变，以人类为主的高等生物就显得 “稳定”许多，某种元素对我们来说是有毒的，哪怕只是对身体里的一个器官有毒，就永远对人体有毒。

打破了固有的认知

辽宁日报：但是能够进化到将原有的致命物质当成生存物质，也是很罕见的吧？

袁训来：非常罕见，也打破了我们固有的认知。其实，在莫诺湖发现利用砷的生物已经不是新闻，但是能够用砷来维持生命的却是第一例。早在2008年，在莫诺湖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，但是这次发现的微生物却在用砷组成自身的各种关键分子，因此被称作“砷辅生命”，这种“砷辅生命”引起了学术界的轰动。

辽宁日报：这种“砷辅生命”与我们已知的生物在组成元素上有什么不同？

袁训来：众所周知，生命所必备的六种元素包括：碳、氧、氮、氢、磷和硫。这些元素有些是细胞的组成物质，有些则是维持细胞正常生命活动所必需的物质。例如：碳、氧、氮和氢都是构成生命物质的必需元素，它们都是构成蛋白质的必要成分。蛋白质则是原生质的主要构成成分，可以说，没有蛋白质就没有生命。磷和硫也是细胞生命物质的重要组成成分。核酸和磷脂这些重要化合物均含有磷，磷还参与细胞的能量代谢。

这次发现的“砷辅生命”把原有的六元素中的磷用砷来代替了。我们不妨看看化学元素周期表，在化学元素周期表中，磷和砷的位置就很接近，属于同一族的。这些同族的化学元素，在化学性质上是相似的。砷作为和磷类似的物质，时常参与到生物的新陈代谢中。但是因为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。所以，大多数生命在选择的时候就摒弃了砷，选择了化合物更加稳定的磷。我们前面也说了，这种特殊的微生物之所以能够出现，和它所生存的特殊环境密不可分，在砷浓度高而磷元素少的情况下，微生物退而选择了砷，从理论角度而言，也并非天方夜谭，是可以实现的。

辽宁日报：这个发现无疑改写了我们对于生命认知的教科书，生命六种基本元素论被打破了，我们现在想问的是，在特殊环境下，除了磷可以被替代外，剩下的五种元素是否也能够被替代？

袁训来：这次发现的微生物算是生物界的极端个例。此前，在科幻小说中，作者们常常喜欢用硅来替代碳。但是，生物最最基本的结构，其实是以碳元素为“链”的，可以说碳是生物最基本的组成。在元素周期表里，碳和硅是“上下级”的关系，碳和硅在很多化学性质上雷同，但硅的质量比碳重，化学性质很不活跃。生物在进化的时候也有“经济的头脑”，它当然会选择优秀的元素，所以硅就被碳“淘汰”了，这也是一种自然选择的结果。在我看来，地球上的生命最初是来自于一个母细胞，能形成气体、质量更轻、活力更大的碳自然更受“青睐”，所以我认为，科幻小说里以硅代替碳的想法可能性很小。

拓展了人们对外星生命的想像

辽宁日报：在特殊的环境下，生命总是能够创造出奇迹。近期，科学家还发现了海底热液中的微生物能够在高温下正常生存和快速繁殖。我们不禁要问，海洋当中是否存在着许多像新发现的“砷辅生命”一样的生物？

袁训来：神秘的深海是一个至今不大为人类所知的世界。目前世界上直接下潜到海中的最深纪录是501米。一般在海面700米以下就是一片黑暗了。在深渊般黑暗无底的大洋深处，环境是极端恶劣的。没有丝毫光亮，水温终年不会超过2℃，食物稀缺而压力巨大。

但是我们可以肯定的是，深海里有着更多生命。前不久，“澳大利亚深海研究”项目一直在利用最新技术的远程遥控相机对澳大利亚深海物种进行研究和拍摄，发现了大量怪异的深海物种。这些深海生命大多样子怪异，和我们常见的有很大不同。但可以说，在基本元素组成上，这些深海生命和陆地上、浅海里的生命并没有区别。比如在深海里没有眼睛的鱼，溶洞里会出现白色的蜘蛛。但是这种变异只是某些器官上的，并不涉及到太多遗传物质的改变，只是为适应这些特殊环境做出的选择。

辽宁日报：我们人类对于海洋生物的研究并没有对于太空生命的“挖掘”热情高。

袁训来：尽管深海被看作是地球上最大的生物栖息地之一，然而人类对那里的了解却是少之又少。比如，到目前为止仅有5%的深海海底被详尽地描绘出来。不过在过去25年里，新的深海生物不断被人发现。科学家包括我们古生物学都在对深海研究进行不懈的努力。但是相对于太空，深海研究的关注度是少了很多，毕竟找寻外星生命对人类的吸引力更大。

辽宁日报：这种特殊的微生物的出现，也给发掘地外生命开拓了更加广泛的视野吧？

袁训来：在特殊的环境下，能够发现一些特殊的生物，这次的新发现无疑让科学家们对外星生命研究的思路更拓宽了。

辽宁日报：谢谢袁老师为我们解读！

■专家档案

袁训来 中科院南京地质古生物研究所研究员，博士生导师，微体古生物研究室主任。长期从事“地球早期生命起源、演化和环境背景”的研究。

现任中国古生物学会常务理事，中国微体古生物学会理事长。 《科学通报》特邀编辑,《古生物学报》副主编，《生物进化》科普杂志主编。

□本报记者／张晓丽