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我們所知的生命具有非凡的多樣性和適應性，使得生物體能夠在地球上一些看似最不適宜居住的地方立足。 但它傾向於依賴於整潔、可預測的六種營養元素，這是一套基本的生物學字母表，這為其他組合構成完全不同型別的生物活動留下了可能性。 因此，我們所知的生命可能並非全部——無論是對於陸地生物學還是地外生物學而言。
一項新的研究表明，這種可能性看起來更有希望。該研究描述了一種從加利福尼亞州莫諾湖分離出的細菌，它可以利用通常對生命有毒的砷作為其關鍵營養元素之一。 這種微生物甚至可以將砷吸收到其生物分子中，取代磷成為 DNA 以及可能在能量攜帶分子（如三磷酸腺苷 (ATP)）中的結構構建模組。 該研究於 12 月 2 日在《科學》雜誌線上發表。
“這是一個真正的突破，對我來說也是一個真正的驚喜，”研究合著者羅納德·奧雷姆蘭說，他是一位美國地質調查局 (USGS) 在加利福尼亞州門洛帕克的地質微生物學家。“我們在六個元素的群體中增加了一個新元素，至少對於這種生物體而言，它可以維持生命。” 標準的六種營養素是碳、氫、氮、氧、磷和硫。
奧雷姆蘭此前曾在高鹽、富含砷的莫諾湖中發現了細菌，這些細菌在光合作用或呼吸反應中使用通常有毒的元素，但沒有人證明該元素被吸收用於內部用途。 他說，他不斷在會議上遇到地質微生物學家菲利薩·沃爾夫-西蒙，她是這項新研究的第一作者，沃爾夫-西蒙提出了一個發人深省的問題：砷，以砷酸根離子的形式，取代細胞內的磷酸根離子怎麼樣？ 畢竟，在元素週期表上，砷是磷的樓下鄰居，磷酸根和砷酸根是化學表親。 這種相似性導致了砷的毒性——砷酸根偽裝成營養磷酸根，從而進入身體的代謝系統。
奧雷姆蘭最初並不相信沃爾夫-西蒙的想法。“我看著她，覺得她是個瘋子，”他說。 但沃爾夫-西蒙和她的同事繼續發展這個假設，今年早些時候，她作為 NASA 天體生物學研究員加入了 USGS 的奧雷姆蘭。
為了尋找可以使用砷作為營養素的生物體，研究人員將莫諾湖的沉積物接種到生長培養基中，添加了砷，但沒有新增磷。 他們分離出了一種稱為 GFAJ-1 的 γ-變形菌綱菌株，該菌株在富含砷酸鹽的條件下生長，但在缺乏砷酸鹽和磷酸鹽的情況下不生長。“它在有磷的情況下生長得更好，但在有砷的情況下也生長得很好，”奧雷姆蘭說。
“我們一直在說這不可能，我們一定遺漏了什麼，”他補充道。 但經過一系列高科技分析——X 射線光譜學、放射性同位素示蹤劑、質譜學——研究人員發現砷酸鹽確實被摻入生物分子中，包括 DNA 的骨架，通常由磷酸鹽佔據的位置。
華盛頓州立大學普爾曼分校的天體生物學家德克·舒爾茨-馬庫奇說，分析的徹底性為這一說法增添了分量，他沒有參與這項研究。“這是我第一次真正看到確鑿的證據表明這種情況發生了，”他說。“你不能真的只看一個 DNA 分子就說，好吧，這裡有一個砷，那裡有一個砷。” 但互補測試可以揭示該元素在微生物中的作用。“如果你把這一切放在一起，你就可以提出一個非常有說服力的案例，”舒爾茨-馬庫奇說。
這種細菌為何偏愛砷尚不清楚。 也許一些生命形式在富含砷的環境中進化，後來遷移到地球上更典型的區域，那裡的磷更豐富。“生命可能已經適應了砷和/或磷的利用，”奧雷姆蘭說。“也許這是看待這個問題的一種方式，但這完全是猜想。”
在該研究發表之前，在 NASA 新聞稿宣佈 12 月 2 日舉行新聞釋出會“討論一項將影響尋找地外生命證據的天體生物學發現”之後，Twitter 和部落格圈以及英國報紙上充斥著各種猜測。 一個受歡迎的部落格 kottke.org,以標題“NASA 發現地外生命了嗎？”引發了一場小小的狂潮。
有些人無疑會對這個問題的答案以及新結果的徹頭徹尾的地球性質感到失望。 但這項研究仍然對天體生物學家未來可能在太陽系或更遠的地方發現的無數種生命具有意義。“這項研究真正強調了生命的適應性有多強，我們應該抱著期待意外的心態出去尋找，”舒爾茨-馬庫奇說。“如果你看看其他地方，從土衛六的碳氫化合物湖泊到木衛二的地下海洋再到火星的沙漠，我們真的不應該低估生命適應這些地方的能力。”