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NASA在极端微生物中发现生命第七元素剧毒砷改写生物化学定律

时间： 2025-03-18 11:08:17 阅读： 139

美国宇航局在加利福尼亚州莫诺湖发现一种能以剧毒砷元素替代磷构成DNA的极端微生物，这一发现重新定义了生命的基本构成。

实验室中的“外星细菌”

2010年12月3日，NASA天体生物学家费利萨·沃尔夫-西蒙团队公布了一项颠覆性发现：在加利福尼亚州莫诺湖的高盐、高砷环境中，一种名为GFAJ-1的细菌不仅能在剧毒砷环境中存活，还能将砷元素整合进DNA分子，替代传统生命必需的磷元素。

莫诺湖的湖水盐度是海水的3倍，砷浓度高达地球其他水域的2000倍。研究团队从湖底沉积物中分离出微生物样本，并在实验室中逐步提高培养基的砷浓度，最终筛选出完全依赖砷生长的菌株。当磷元素被彻底移除后，GFAJ-1的细胞体积增大60%，砷原子通过放射性同位素标记实验被证实嵌入DNA链。

砷替代磷：从化学毒物到生命基石

传统生物学认为，磷是生命六要素（碳、氢、氧、氮、硫、磷）中不可替代的成分。磷参与DNA骨架构建、能量载体ATP合成及细胞膜形成，而砷因化学性质不稳定且具有强毒性，长期被视为生命禁区。

GFAJ-1的发现打破了这一认知。砷与磷在元素周期表中同属第15族，化学性质相似，但砷的分子量更大、化学键更易断裂。实验显示，GFAJ-1通过特殊的代谢机制将砷稳定在生物分子中，其DNA在砷环境中仍能保持复制功能。

地外生命搜寻的范式变革

NASA将此次发现称为“生命之树的新分支”。过去，科学家以地球生命模式为蓝本，在火星、土卫六等星球上寻找磷、液态水等特征。而GFAJ-1的存在证明，生命可能以完全不同的元素组合形式存在。

例如，土卫六表面温度低至-179℃，磷基生命难以存活，但砷的化学活性在低温下可能更稳定。这一发现促使NASA调整探测策略，将含砷或其他替代元素的星球纳入潜在生命栖息地清单。

争议与验证：科学界的双重反应

GFAJ-1的成果引发激烈讨论。部分学者质疑实验设计：培养基中可能残留微量磷元素，而砷仅作为辅助而非完全替代。2012年，《科学》杂志两篇独立研究称，GFAJ-1在无磷环境中无法长期存活，砷仅被吸收而非整合进DNA。

对此，西蒙团队回应称，后续研究需验证砷在生物分子中的具体作用机制。尽管存在争议，GFAJ-1仍被公认为“极端微生物研究的关键案例”，推动了对生命极限的重新评估。

从理论到应用：砷基生命的潜在价值

GFAJ-1的发现不仅拓展了生命科学理论，还为环境治理与生物技术提供新思路：

1. 污染修复：利用砷代谢微生物处理工业砷污染水体；
2. 生物燃料：开发耐毒性更强的工程菌以提高生产效率；
3. 医学研究：解析砷耐受机制以攻克重金属中毒难题。

NASA计划将类似GFAJ-1的极端微生物模型应用于下一代太空探测仪器设计，以提升地外生命信号的识别灵敏度。