本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
六個月前，一篇論文出現在著名期刊《科學》的Science Express預出版網站上。它來自一群 NASA 資助的研究人員，伴隨著 NASA 全面的宣傳炒作，但受到了其他研究人員的嚴厲批評，幾乎所有人都認為它存在嚴重的缺陷，根本不應該發表。該論文最終已在《科學》的印刷版上正式發表，同時還刊登了八篇高度 критических 技術評論以及作者對這些評論的回應（全部內容在此查閱）。因此，這篇文章旨在將所有科學問題彙集在一起。《瑪麗-克萊爾·沙納漢的隨附文章探討了這些分歧如何在部落格和更廣泛的媒體中展開，以及對科學教育可能有哪些教訓。
科學背景
在宇宙其他地方尋找生命是科幻小說的主題，而尋找生命可能是美國太空計劃最令人興奮的方面。我們尚未訪問過其他星球，但 NASA 的天體生物學計劃正在透過研究影響地球生命的限制因素來為此做好準備。因此，他們慷慨地資助生命起源、極端環境中生物體的生存策略以及與這項工作最相關的“影子生物圈”的搜尋研究。
關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
影子生物圈假說認為，地球上的生命包括與我們已知的生物體無關的生物體。所有這些已知的生物體（植物、動物、原生生物、細菌和古菌）都有如此多的共同特徵，以至於我們確信它們都來自一個共同的祖先，如圖左側彩色部分所示。
我們認為，已知生物圈的第一個祖先在早期地球條件變得足夠涼爽以支援生命後不久就出現了。已知生命的快速起源告訴我們，生命的起源並非極其不可能，因此它不僅可能在宇宙其他地方發生，而且可能在地球上發生不止一次。
傳統的觀點是，任何獨立的生命譜系都已滅絕，沒有留下化石結構或分子，我們會將其識別為與已知生物圈不同的東西。但一些有遠見的人提出，一個或多個不相關譜系的成員可能作為“影子生物圈”（圖中的灰色譜系）倖存下來，可能因為它們表面上類似於已知生物圈的成員，或者因為它們生活在我們尚未檢查的環境中，或者因為它們與我們如此不同，以至於我們甚至沒有認識到它們是活著的。
在地球上找到影子生物圈的證據幾乎與在另一個星球上找到生命一樣令人興奮，但要尋找什麼呢？
現在大多數研究人員認為，已知生物圈的祖先是類似 RNA 的分子，但原則上，生命可能起源於任何受自然選擇支配的東西——任何不完美複製的分子或分子複合物，產生可遺傳的變異，從而改變其生殖成功率。已知生物圈的代謝物和資訊分子由碳、氫、氧、氮和磷組成，但肯定存在其他可能性，特別是考慮到自然選擇的驚人力量。
科幻迷會熟悉這樣一種想法，即另一種生命形式可能建立在矽而不是碳之上，因為這些原子具有相似的多功能鍵合特性。砷和磷也具有相似的鍵合特性，這促使一位大膽的年輕博士後研究員 Felisa Wolfe-Simon 博士假設，影子生物圈生物體可能使用砷代替磷。
化學家已經考慮過這個想法並將其摒棄。砷肯定會形成許多與磷相同的鍵，並且它已知的毒性是因為我們的一些酶錯誤地將砷摻入生物分子中以代替磷。然而，人們發現許多這些砷化分子的穩定性遠低於其磷酸化對應物，並且 DNA 和 RNA 中發現的鍵被認為半衰期遠小於一秒。
然而，Wolfe-Simon 認為，面對生物系統的巨大適應性，這些反對意見並不重要，並且在獲得 NASA 天體生物學計劃的著名博士後獎學金後，她加入了備受推崇的Ron Oremland 博士砷研究小組，以測試她的想法。
專案
Wolfe-Simon 在加利福尼亞州的莫諾湖中尋找基於砷的生命。許多生物體生活在該湖及其沉積物中，但砷和其他礦物質的含量很高（200 µM 砷）。為了弄清楚沉積物中是否含有任何可以在使用砷而不是磷的情況下生存和生長的東西，她將湖泊沉積物與簡單的培養基混合。該培養基具有與湖水相同的基本化學特性，但也提供了葡萄糖（用於能量）和細菌合成新細胞所需的所有基本元素，但缺少一種。缺少的元素是磷；相反，培養基中含有砷。
有東西生長了！培養基最終變得渾濁，充滿了數百萬個細菌大小的細胞。並且在將細胞反覆稀釋到新鮮培養基中後，細胞繼續生長和分裂，即使當砷濃度為 5 mM 時（比莫諾湖的濃度高 25 倍）。將少量培養物鋪在含有相同培養基並用瓊脂凝固的培養皿上。現在，單個細胞生長成克隆菌落，每個菌落來自單個細胞。將生長最快的克隆株命名為菌株名稱 (GFAJ-1)，其特性在《科學》論文中報告。
當砷濃度逐漸進一步增加時，發現 GFAJ-1 在 40 mM 砷濃度下生長最佳；該水平非常高（正常的大腸桿菌細胞在 1 mM 濃度下無法生長），但沒有高於某些已知細菌（包括抗砷大腸桿菌菌株）的耐受水平。細胞在含有磷酸鹽但未新增砷酸鹽的陽性對照培養基上生長到高密度，而在既未新增磷酸鹽也未新增砷酸鹽的陰性對照培養基上僅略微生長。
最大的問題是 GFAJ-1 是否是影子生物圈的成員，因此研究人員測試了細胞是否含有 DNA。 DNA 提取程式產生了一種不僅表現得像 DNA，而且可以透過 PCR 擴增並使用正常生物圈核糖體 RNA 基因的引物進行測序的物質。然後對序列進行的系統發育分析表明，GFAJ-1 屬於已知細菌的特定屬，Halomonas（上圖中微小的深藍色楔形表示）。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。
但是為什麼 GFAJ-1 可以在缺乏磷的培養基上生長呢？它的Halomonas祖先一定具有正常的化學性質——它是否進化出了用砷代替磷的能力？
這將是與發現影子生物圈成員幾乎一樣令人興奮的結果，因此 Wolfe-Simon 博士及其同事進行了一系列測試。
1. 透過質譜分析培養基和其他溶液表明，存在一些磷，通常約為 3 µM，被認為是來自試劑中的汙染物。然而，作者認為這遠不足以允許在砷酸鹽培養基中觀察到的細胞生長，特別是考慮到當既未新增砷酸鹽也未新增磷酸鹽時，細胞幾乎沒有翻倍。
2. 透過稱為 Nano-SIMS 的質譜變體分析洗滌過的砷酸鹽生長細胞表明，與磷酸鹽生長細胞相比，它們每克乾重和每個碳原子含有更多的砷和更少的磷，並且砷含量是磷含量的十倍左右。
3. 透過苯酚-氯仿提取對砷酸鹽生長細胞進行粗分級分離表明，所有級分中都存在砷，正如預期的那樣，如果砷已摻入通常含有磷的各種生物分子中。
4. 對整個砷酸鹽生長細胞進行的同步加速器 X 射線研究發現，砷原子具有與生物分子組成部分一致的化學鍵。
5. 對來自這些細胞的部分純化的 DNA 進行分析發現，與來自磷酸鹽生長細胞的 DNA 相比，砷含量更高，磷含量更低。
作者得出的結論不僅是細胞主動積累了砷，而且它們能夠在砷酸鹽培養基中生長，因為它們用砷代替了 DNA 和其他細胞成分中的一些磷。
資料的缺陷
為什麼這麼多其他研究人員不同意這些結論？高科技分析似乎是 компетентно 完成的；它們主要由其他實驗室的合作者進行，並且很少有人對它們提出擔憂。問題主要在於培養基和分析樣品的製備，以及結果的解釋。
資料質量： 補充材料（僅線上提供）中的原始資料充滿了研究人員本應識別為實驗缺陷的危險訊號的不一致之處。這裡僅舉一個例子：雖然在對照磷酸鹽生長細胞的“DNA/RNA”級分中測量到 118 ppb 的砷，但在砷酸鹽生長細胞的相同級分中未檢測到砷（<20 ppb）。然而，當在凝膠電泳後分析這些級分中的 DNA 和 RNA 時，砷酸鹽生長製備物中的砷含量是對照組的兩倍。作者沒有提及這種差異，因此我們不知道這是由於樣品製備、測定方法還是其他方面的錯誤造成的。
細胞生長分析： 最明顯的矛盾之一是在細胞生長分析中（論文的圖 1 如下，用紅色註釋）。生長以兩種方式測量，透過培養物的濁度（圖 1A）和直接細胞計數（圖 1B），但作者未能注意到兩個砷酸鹽培養基生長曲線（帶有正方形符號的中間線）之間的差異，這在很大程度上使隨後的細胞成分分析無效。在圖 1A 中，細胞似乎持續生長 360 小時，但相同培養物的細胞計數（圖 1B）顯示細胞數量在約 150 小時處趨於平穩。電子顯微照片（圖 1C、D 和 E）揭示了這種差異的原因。當 GFAJ-1 細胞在磷酸鹽培養基上生長時（圖 1D），它們看起來像典型的桿狀細菌，但當它們在砷酸鹽培養基中生長時（圖 1C），它們逐漸變得豐滿，並且橫截面顯示它們充滿了大的白色體。微生物學家一致認為，這些不是作者建議的囊泡，而是蠟狀儲能碳氫化合物聚羥基丁酸酯 (PHB) 的顆粒。 PHB 是細菌的脂肪等價物，當細胞有充足的能量供應（在本例中為培養基中的糖）但必須停止分裂時，它們就會產生 PHB，因為它們的磷或氮耗盡了。這有什麼關係？因為 PHB 含有大量的碳，但不含磷，所以它的存在嚴重歪曲了不同原子比例的測量。砷酸鹽生長的細胞充滿了 PHB，即使所有細胞都含有相同量的磷，它們每克乾重或每個碳的磷含量也遠低於瘦磷酸鹽生長的細胞。
磷需求： 已知許多細菌在磷含量低於 3 µM 的環境中茁壯成長，並且簡單的計算（作者未完成）表明，砷酸鹽培養基中的汙染磷酸鹽可以很容易地支援觀察到的細胞數量。砷酸鹽生長的細胞可能確實比磷酸鹽生長的細胞含有更少的磷，但這很可能是因為它們正在經濟地利用這種稀缺資源——DNA 分析凝膠照片顯示，它們顯著降低了核糖體 RNA 的含量。
細胞分級分離： 細胞級分是透過化學程式產生的，該程式將細胞內容物分配在有機、水性和不溶性級分之間。作者專注於這些級分中的關鍵生物分子（例如水性級分中的 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發現砷與在 DNA 和 RNA 中發現砷相去甚遠
DNA 純化： 最令人震驚的錯誤是從 DNA 純化中省略了標準步驟。來自水相級分的醇不溶性沉澱物在凝膠中執行，並切出含有 DNA 的部分進行分析。通常，然後使用簡單的“旋轉柱”（十分鐘程式）從凝膠切片中純化 DNA 並洗滌，但由於某種原因，省略了此步驟，並且對整個凝膠切片進行了原子分析，從而帶入了所有汙染物並大大降低了測定的靈敏度。在沒有最終純化步驟的情況下，不可能知道 DNA 是否真的含有砷。
“先驗機率”問題
在考慮其他研究人員應該或不應該做什麼來澄清事情之前，我們需要進行一些“貝葉斯”思考。我的意思是明確考慮貝葉斯統計學家所說的作者結論的“先驗機率”，然後考慮他們論文中的新證據如何改變這種機率。
這是一個關於這種思維的簡單示例：假設我來找你，聲稱外星人賦予了我控制拋硬幣的能力。作為證據，我說我拋了六次硬幣，每次都是正面朝上。你不會費心調查我的能力，因為你已經知道類似的說法已被之前的許多調查證偽（我正確的先驗機率非常小），並且同樣的結果會在 32 次試驗中的 1 次偶然發生（新的支援證據非常薄弱）。
對於 GFAJ-1 細菌使用砷代替磷的假設，先驗機率非常小，因為分子和進化問題相結合
- 化學家是對的。 DNA 和 RNA 中需要的砷鍵非常不穩定，半衰期小於 0.1 秒。
- 為了摻入 DNA，砷需要首先摻入 ATP 並穩定存在，並且在 RNA 和 DNA 的所有代謝前體中也需要穩定存在。
- 需要許多酶來處理這些前體，並且它們都必須能夠處理砷。
- 負責複製、轉錄和翻譯的複雜細胞機制將無法使用主鏈混合了磷和砷原子的 DNA 和 RNA 作為模板。
- 即使 DNA 聚合酶可以使用這樣的模板，主鏈的不規則性也會導致其錯誤率急劇增加，從而將細胞推向突變崩潰。
· 只有當細胞可以完全消除對磷的需求時，在磷限制環境中選擇使用砷才會很強烈。
- 修改蛋白質並啟用砷利用所需的多重突變都必須在任何砷利用變得有益之前發生。
- 莫諾湖為生長提供充足的磷，因此所需的選擇不會在那裡發生。
這些問題中的任何一個都足以將砷利用的先驗機率推入地下室。無論如何，除非化學基本原理是錯誤的，否則鍵不穩定是對作者結論的致命打擊。
現在應該做什麼？
作者應該做什麼？ 如果他們希望其他研究人員認真對待他們的主張，他們需要以更強的可重複性和控制所有步驟的汙染來重複細胞製備和分級分離。
其他研究人員應該做什麼？ 他們應該嘗試重複任何或所有這些結果嗎？ 只有當他們沒有更好的事情可做時才應該這樣做。因為作者正確的機率非常低，所以這些實驗具有非常高的“機會成本”——研究人員將不得不從他們正在進行的更有可能產生科學進展的研究專案中抽出時間，而不是重複這項工作。
我將要做什麼： 鑑於最初的主張受到了廣泛宣傳，許多人認為有人證明這些主張是錯誤的很重要。似乎沒有人站出來承擔責任，所以我已經訂購了 GFAJ-1 菌株，我將進行最少的實驗，測試砷酸鹽是否在磷受限時促進其生長，以及在磷受限加大量砷酸鹽後，其 DNA 中是否存在砷。（我預計會發現它不會並且不存在。）我不會嘗試在完全沒有磷酸鹽的情況下培養細胞，這既是因為消除汙染很困難，也是因為我預期的陰性結果（細胞不生長）不會很有說服力。我將公開在我的 RRResearch 部落格上釋出關於這項工作的資訊，您可以關注。
參考文獻
許多資訊都在部落格和其他來自專家但尚未經過正式同行評審的材料中。幾乎所有這些連結都可以在 Bora 的 砷連結轉儲中找到。最好的同行評審資訊在論文字身、八篇技術評論以及作者對評論的回應中，所有這些都可以在此處查閱。
關於作者： Rosie Redfield 是不列顛哥倫比亞大學的進化微生物學家和動物學教授；她的研究在雞尾酒會上被描述為“細菌有性行為嗎？” 她的頭髮並不總是藍色的（今天它是粉色的）。在她的部落格和 Twitter 上找到她。
所表達的觀點是作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點。
相關文章，來自《大眾科學》