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： 2026-01-25 09:48:12 阅读：482

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。