本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
六个月前，一篇论文出现在著名期刊《科学》的Science Express预出版网站上。它来自一群 NASA 资助的研究人员，伴随着 NASA 全面的宣传炒作，但受到了其他研究人员的严厉批评，几乎所有人都认为它存在严重的缺陷，根本不应该发表。该论文最终已在《科学》的印刷版上正式发表，同时还刊登了八篇高度 критических 技术评论以及作者对这些评论的回应（全部内容在此查阅）。因此，这篇文章旨在将所有科学问题汇集在一起。《玛丽-克莱尔·沙纳汉的随附文章探讨了这些分歧如何在博客和更广泛的媒体中展开，以及对科学教育可能有哪些教训。
科学背景
在宇宙其他地方寻找生命是科幻小说的主题，而寻找生命可能是美国太空计划最令人兴奋的方面。我们尚未访问过其他星球，但 NASA 的天体生物学计划正在通过研究影响地球生命的限制因素来为此做好准备。因此，他们慷慨地资助生命起源、极端环境中生物体的生存策略以及与这项工作最相关的“影子生物圈”的搜索研究。
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影子生物圈假说认为，地球上的生命包括与我们已知的生物体无关的生物体。所有这些已知的生物体（植物、动物、原生生物、细菌和古菌）都有如此多的共同特征，以至于我们确信它们都来自一个共同的祖先，如图左侧彩色部分所示。
我们认为，已知生物圈的第一个祖先在早期地球条件变得足够凉爽以支持生命后不久就出现了。已知生命的快速起源告诉我们，生命的起源并非极其不可能，因此它不仅可能在宇宙其他地方发生，而且可能在地球上发生不止一次。
传统的观点是，任何独立的生命谱系都已灭绝，没有留下化石结构或分子，我们会将其识别为与已知生物圈不同的东西。但一些有远见的人提出，一个或多个不相关谱系的成员可能作为“影子生物圈”（图中的灰色谱系）幸存下来，可能因为它们表面上类似于已知生物圈的成员，或者因为它们生活在我们尚未检查的环境中，或者因为它们与我们如此不同，以至于我们甚至没有认识到它们是活着的。
在地球上找到影子生物圈的证据几乎与在另一个星球上找到生命一样令人兴奋，但要寻找什么呢？
现在大多数研究人员认为，已知生物圈的祖先是类似 RNA 的分子，但原则上，生命可能起源于任何受自然选择支配的东西——任何不完美复制的分子或分子复合物，产生可遗传的变异，从而改变其生殖成功率。已知生物圈的代谢物和信息分子由碳、氢、氧、氮和磷组成，但肯定存在其他可能性，特别是考虑到自然选择的惊人力量。
科幻迷会熟悉这样一种想法，即另一种生命形式可能建立在硅而不是碳之上，因为这些原子具有相似的多功能键合特性。砷和磷也具有相似的键合特性，这促使一位大胆的年轻博士后研究员 Felisa Wolfe-Simon 博士假设，影子生物圈生物体可能使用砷代替磷。
化学家已经考虑过这个想法并将其摒弃。砷肯定会形成许多与磷相同的键，并且它已知的毒性是因为我们的一些酶错误地将砷掺入生物分子中以代替磷。然而，人们发现许多这些砷化分子的稳定性远低于其磷酸化对应物，并且 DNA 和 RNA 中发现的键被认为半衰期远小于一秒。
然而，Wolfe-Simon 认为，面对生物系统的巨大适应性，这些反对意见并不重要，并且在获得 NASA 天体生物学计划的著名博士后奖学金后，她加入了备受推崇的Ron Oremland 博士砷研究小组，以测试她的想法。
项目
Wolfe-Simon 在加利福尼亚州的莫诺湖中寻找基于砷的生命。许多生物体生活在该湖及其沉积物中，但砷和其他矿物质的含量很高（200 µM 砷）。为了弄清楚沉积物中是否含有任何可以在使用砷而不是磷的情况下生存和生长的东西，她将湖泊沉积物与简单的培养基混合。该培养基具有与湖水相同的基本化学特性，但也提供了葡萄糖（用于能量）和细菌合成新细胞所需的所有基本元素，但缺少一种。缺少的元素是磷；相反，培养基中含有砷。
有东西生长了！培养基最终变得浑浊，充满了数百万个细菌大小的细胞。并且在将细胞反复稀释到新鲜培养基中后，细胞继续生长和分裂，即使当砷浓度为 5 mM 时（比莫诺湖的浓度高 25 倍）。将少量培养物铺在含有相同培养基并用琼脂凝固的培养皿上。现在，单个细胞生长成克隆菌落，每个菌落来自单个细胞。将生长最快的克隆株命名为菌株名称 (GFAJ-1)，其特性在《科学》论文中报告。
当砷浓度逐渐进一步增加时，发现 GFAJ-1 在 40 mM 砷浓度下生长最佳；该水平非常高（正常的大肠杆菌细胞在 1 mM 浓度下无法生长），但没有高于某些已知细菌（包括抗砷大肠杆菌菌株）的耐受水平。细胞在含有磷酸盐但未添加砷酸盐的阳性对照培养基上生长到高密度，而在既未添加磷酸盐也未添加砷酸盐的阴性对照培养基上仅略微生长。
最大的问题是 GFAJ-1 是否是影子生物圈的成员，因此研究人员测试了细胞是否含有 DNA。 DNA 提取程序产生了一种不仅表现得像 DNA，而且可以通过 PCR 扩增并使用正常生物圈核糖体 RNA 基因的引物进行测序的物质。然后对序列进行的系统发育分析表明，GFAJ-1 属于已知细菌的特定属，Halomonas（上图中微小的深蓝色楔形表示）。因此，非常令人失望的是，GFAJ-1 是正常生物圈的一部分，而不是新的生命形式。
但是为什么 GFAJ-1 可以在缺乏磷的培养基上生长呢？它的Halomonas祖先一定具有正常的化学性质——它是否进化出了用砷代替磷的能力？
这将是与发现影子生物圈成员几乎一样令人兴奋的结果，因此 Wolfe-Simon 博士及其同事进行了一系列测试。
1. 通过质谱分析培养基和其他溶液表明，存在一些磷，通常约为 3 µM，被认为是来自试剂中的污染物。然而，作者认为这远不足以允许在砷酸盐培养基中观察到的细胞生长，特别是考虑到当既未添加砷酸盐也未添加磷酸盐时，细胞几乎没有翻倍。
2. 通过称为 Nano-SIMS 的质谱变体分析洗涤过的砷酸盐生长细胞表明，与磷酸盐生长细胞相比，它们每克干重和每个碳原子含有更多的砷和更少的磷，并且砷含量是磷含量的十倍左右。
3. 通过苯酚-氯仿提取对砷酸盐生长细胞进行粗分级分离表明，所有级分中都存在砷，正如预期的那样，如果砷已掺入通常含有磷的各种生物分子中。
4. 对整个砷酸盐生长细胞进行的同步加速器 X 射线研究发现，砷原子具有与生物分子组成部分一致的化学键。
5. 对来自这些细胞的部分纯化的 DNA 进行分析发现，与来自磷酸盐生长细胞的 DNA 相比，砷含量更高，磷含量更低。
作者得出的结论不仅是细胞主动积累了砷，而且它们能够在砷酸盐培养基中生长，因为它们用砷代替了 DNA 和其他细胞成分中的一些磷。
数据的缺陷
为什么这么多其他研究人员不同意这些结论？高科技分析似乎是 компетентно 完成的；它们主要由其他实验室的合作者进行，并且很少有人对它们提出担忧。问题主要在于培养基和分析样品的制备，以及结果的解释。
数据质量： 补充材料（仅在线提供）中的原始数据充满了研究人员本应识别为实验缺陷的危险信号的不一致之处。这里仅举一个例子：虽然在对照磷酸盐生长细胞的“DNA/RNA”级分中测量到 118 ppb 的砷，但在砷酸盐生长细胞的相同级分中未检测到砷（<20 ppb）。然而，当在凝胶电泳后分析这些级分中的 DNA 和 RNA 时，砷酸盐生长制备物中的砷含量是对照组的两倍。作者没有提及这种差异，因此我们不知道这是由于样品制备、测定方法还是其他方面的错误造成的。
细胞生长分析： 最明显的矛盾之一是在细胞生长分析中（论文的图 1 如下，用红色注释）。生长以两种方式测量，通过培养物的浊度（图 1A）和直接细胞计数（图 1B），但作者未能注意到两个砷酸盐培养基生长曲线（带有正方形符号的中间线）之间的差异，这在很大程度上使随后的细胞成分分析无效。在图 1A 中，细胞似乎持续生长 360 小时，但相同培养物的细胞计数（图 1B）显示细胞数量在约 150 小时处趋于平稳。电子显微照片（图 1C、D 和 E）揭示了这种差异的原因。当 GFAJ-1 细胞在磷酸盐培养基上生长时（图 1D），它们看起来像典型的杆状细菌，但当它们在砷酸盐培养基中生长时（图 1C），它们逐渐变得丰满，并且横截面显示它们充满了大的白色体。微生物学家一致认为，这些不是作者建议的囊泡，而是蜡状储能碳氢化合物聚羟基丁酸酯 (PHB) 的颗粒。 PHB 是细菌的脂肪等价物，当细胞有充足的能量供应（在本例中为培养基中的糖）但必须停止分裂时，它们就会产生 PHB，因为它们的磷或氮耗尽了。这有什么关系？因为 PHB 含有大量的碳，但不含磷，所以它的存在严重歪曲了不同原子比例的测量。砷酸盐生长的细胞充满了 PHB，即使所有细胞都含有相同量的磷，它们每克干重或每个碳的磷含量也远低于瘦磷酸盐生长的细胞。
磷需求： 已知许多细菌在磷含量低于 3 µM 的环境中茁壮成长，并且简单的计算（作者未完成）表明，砷酸盐培养基中的污染磷酸盐可以很容易地支持观察到的细胞数量。砷酸盐生长的细胞可能确实比磷酸盐生长的细胞含有更少的磷，但这很可能是因为它们正在经济地利用这种稀缺资源——DNA 分析凝胶照片显示，它们显着降低了核糖体 RNA 的含量。
细胞分级分离： 细胞级分是通过化学程序产生的，该程序将细胞内容物分配在有机、水性和不溶性级分之间。作者专注于这些级分中的关键生物分子（例如水性级分中的 DNA 和 RNA），但忽略了存在的非常大量的其他分子。在苯酚提取的水相中发现砷与在 DNA 和 RNA 中发现砷相去甚远
DNA 纯化： 最令人震惊的错误是从 DNA 纯化中省略了标准步骤。来自水相级分的醇不溶性沉淀物在凝胶中运行，并切出含有 DNA 的部分进行分析。通常，然后使用简单的“旋转柱”（十分钟程序）从凝胶切片中纯化 DNA 并洗涤，但由于某种原因，省略了此步骤，并且对整个凝胶切片进行了原子分析，从而带入了所有污染物并大大降低了测定的灵敏度。在没有最终纯化步骤的情况下，不可能知道 DNA 是否真的含有砷。
“先验概率”问题
在考虑其他研究人员应该或不应该做什么来澄清事情之前，我们需要进行一些“贝叶斯”思考。我的意思是明确考虑贝叶斯统计学家所说的作者结论的“先验概率”，然后考虑他们论文中的新证据如何改变这种概率。
这是一个关于这种思维的简单示例：假设我来找你，声称外星人赋予了我控制抛硬币的能力。作为证据，我说我抛了六次硬币，每次都是正面朝上。你不会费心调查我的能力，因为你已经知道类似的说法已被之前的许多调查证伪（我正确的先验概率非常小），并且同样的结果会在 32 次试验中的 1 次偶然发生（新的支持证据非常薄弱）。
对于 GFAJ-1 细菌使用砷代替磷的假设，先验概率非常小，因为分子和进化问题相结合
- 化学家是对的。 DNA 和 RNA 中需要的砷键非常不稳定，半衰期小于 0.1 秒。
- 为了掺入 DNA，砷需要首先掺入 ATP 并稳定存在，并且在 RNA 和 DNA 的所有代谢前体中也需要稳定存在。
- 需要许多酶来处理这些前体，并且它们都必须能够处理砷。
- 负责复制、转录和翻译的复杂细胞机制将无法使用主链混合了磷和砷原子的 DNA 和 RNA 作为模板。
- 即使 DNA 聚合酶可以使用这样的模板，主链的不规则性也会导致其错误率急剧增加，从而将细胞推向突变崩溃。
· 只有当细胞可以完全消除对磷的需求时，在磷限制环境中选择使用砷才会很强烈。
- 修改蛋白质并启用砷利用所需的多重突变都必须在任何砷利用变得有益之前发生。
- 莫诺湖为生长提供充足的磷，因此所需的选择不会在那里发生。
这些问题中的任何一个都足以将砷利用的先验概率推入地下室。无论如何，除非化学基本原理是错误的，否则键不稳定是对作者结论的致命打击。
现在应该做什么？
作者应该做什么？ 如果他们希望其他研究人员认真对待他们的主张，他们需要以更强的可重复性和控制所有步骤的污染来重复细胞制备和分级分离。
其他研究人员应该做什么？ 他们应该尝试重复任何或所有这些结果吗？ 只有当他们没有更好的事情可做时才应该这样做。因为作者正确的概率非常低，所以这些实验具有非常高的“机会成本”——研究人员将不得不从他们正在进行的更有可能产生科学进展的研究项目中抽出时间，而不是重复这项工作。
我将要做什么： 鉴于最初的主张受到了广泛宣传，许多人认为有人证明这些主张是错误的很重要。似乎没有人站出来承担责任，所以我已经订购了 GFAJ-1 菌株，我将进行最少的实验，测试砷酸盐是否在磷受限时促进其生长，以及在磷受限加大量砷酸盐后，其 DNA 中是否存在砷。（我预计会发现它不会并且不存在。）我不会尝试在完全没有磷酸盐的情况下培养细胞，这既是因为消除污染很困难，也是因为我预期的阴性结果（细胞不生长）不会很有说服力。我将公开在我的 RRResearch 博客上发布关于这项工作的信息，您可以关注。
参考文献
许多信息都在博客和其他来自专家但尚未经过正式同行评审的材料中。几乎所有这些链接都可以在 Bora 的 砷链接转储中找到。最好的同行评审信息在论文本身、八篇技术评论以及作者对评论的回应中，所有这些都可以在此处查阅。
关于作者： Rosie Redfield 是不列颠哥伦比亚大学的进化微生物学家和动物学教授；她的研究在鸡尾酒会上被描述为“细菌有性行为吗？” 她的头发并不总是蓝色的（今天它是粉色的）。在她的博客和 Twitter 上找到她。
所表达的观点是作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点。
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