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我们所知的生命具有非凡的多样性和适应性，使得生物体能够在地球上一些看似最不适宜居住的地方立足。 但它倾向于依赖于整洁、可预测的六种营养元素，这是一套基本的生物学字母表，这为其他组合构成完全不同类型的生物活动留下了可能性。 因此，我们所知的生命可能并非全部——无论是对于陆地生物学还是地外生物学而言。
一项新的研究表明，这种可能性看起来更有希望。该研究描述了一种从加利福尼亚州莫诺湖分离出的细菌，它可以利用通常对生命有毒的砷作为其关键营养元素之一。 这种微生物甚至可以将砷吸收到其生物分子中，取代磷成为 DNA 以及可能在能量携带分子（如三磷酸腺苷 (ATP)）中的结构构建模块。 该研究于 12 月 2 日在《科学》杂志在线发表。
“这是一个真正的突破，对我来说也是一个真正的惊喜，”研究合著者罗纳德·奥雷姆兰说，他是一位美国地质调查局 (USGS) 在加利福尼亚州门洛帕克的地质微生物学家。“我们在六个元素的群体中增加了一个新元素，至少对于这种生物体而言，它可以维持生命。” 标准的六种营养素是碳、氢、氮、氧、磷和硫。
奥雷姆兰此前曾在高盐、富含砷的莫诺湖中发现了细菌，这些细菌在光合作用或呼吸反应中使用通常有毒的元素，但没有人证明该元素被吸收用于内部用途。 他说，他不断在会议上遇到地质微生物学家菲利萨·沃尔夫-西蒙，她是这项新研究的第一作者，沃尔夫-西蒙提出了一个发人深省的问题：砷，以砷酸根离子的形式，取代细胞内的磷酸根离子怎么样？ 毕竟，在元素周期表上，砷是磷的楼下邻居，磷酸根和砷酸根是化学表亲。 这种相似性导致了砷的毒性——砷酸根伪装成营养磷酸根，从而进入身体的代谢系统。
奥雷姆兰最初并不相信沃尔夫-西蒙的想法。“我看着她，觉得她是个疯子，”他说。 但沃尔夫-西蒙和她的同事继续发展这个假设，今年早些时候，她作为 NASA 天体生物学研究员加入了 USGS 的奥雷姆兰。
为了寻找可以使用砷作为营养素的生物体，研究人员将莫诺湖的沉积物接种到生长培养基中，添加了砷，但没有添加磷。 他们分离出了一种称为 GFAJ-1 的 γ-变形菌纲菌株，该菌株在富含砷酸盐的条件下生长，但在缺乏砷酸盐和磷酸盐的情况下不生长。“它在有磷的情况下生长得更好，但在有砷的情况下也生长得很好，”奥雷姆兰说。
“我们一直在说这不可能，我们一定遗漏了什么，”他补充道。 但经过一系列高科技分析——X 射线光谱学、放射性同位素示踪剂、质谱学——研究人员发现砷酸盐确实被掺入生物分子中，包括 DNA 的骨架，通常由磷酸盐占据的位置。
华盛顿州立大学普尔曼分校的天体生物学家德克·舒尔茨-马库奇说，分析的彻底性为这一说法增添了分量，他没有参与这项研究。“这是我第一次真正看到确凿的证据表明这种情况发生了，”他说。“你不能真的只看一个 DNA 分子就说，好吧，这里有一个砷，那里有一个砷。” 但互补测试可以揭示该元素在微生物中的作用。“如果你把这一切放在一起，你就可以提出一个非常有说服力的案例，”舒尔茨-马库奇说。
这种细菌为何偏爱砷尚不清楚。 也许一些生命形式在富含砷的环境中进化，后来迁移到地球上更典型的区域，那里的磷更丰富。“生命可能已经适应了砷和/或磷的利用，”奥雷姆兰说。“也许这是看待这个问题的一种方式，但这完全是猜想。”
在该研究发表之前，在 NASA 新闻稿宣布 12 月 2 日举行新闻发布会“讨论一项将影响寻找地外生命证据的天体生物学发现”之后，Twitter 和博客圈以及英国报纸上充斥着各种猜测。 一个受欢迎的博客 kottke.org,以标题“NASA 发现地外生命了吗？”引发了一场小小的狂潮。
有些人无疑会对这个问题的答案以及新结果的彻头彻尾的地球性质感到失望。 但这项研究仍然对天体生物学家未来可能在太阳系或更远的地方发现的无数种生命具有意义。“这项研究真正强调了生命的适应性有多强，我们应该抱着期待意外的心态出去寻找，”舒尔茨-马库奇说。“如果你看看其他地方，从土卫六的碳氢化合物湖泊到木卫二的地下海洋再到火星的沙漠，我们真的不应该低估生命适应这些地方的能力。”