2005年，science上的一篇论文A microbial arsenic cycle in a salt-saturated中表明发现了一种能够把砷从五价还原成三价的细菌，利用这个氧化还原反应把体内的碳水化合物的能量释放出来。首次发现了没有被砷毒死，反而能呼吸砷的生物。然而，砷在这些细菌中，不过成为一个代谢的参与物，而并没有整合到细菌中。

在2012年science发表了一篇颇有争议的文章，NASA科学家Felisa Wolfe-Simon新发现了一种独特的细菌GFAJ-1，能利用砷来代替磷元素构筑生命分子，进行一些关键的生化反应。Life is mostly composed of the elements carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, sulfur, and phosphorus. Although these six elements make up nucleic acids, proteins, and lipids and thus the bulk of living matter, it is theoretically possible that some other elements in the periodic table could serve the same functions. Here, we describe a bacterium, strain GFAJ-1 of the Halomonadaceae, isolated from Mono Lake, California, that is able to substitute arsenic for phosphorus to sustain its growth. Our data show evidence for arsenate in macromolecules that normally contain phosphate, most notably nucleic acids and proteins. Exchange of one of the major bio-elements may have profound evolutionary and geochemical importance. 由此可见，如果构成生命的基本元素可以由其他元素取代，该发现将使人类对生命的认识发生重大改变，拓宽在地球极端环境乃至外星球寻找生命的思路。

该发现的依据和前景：

1、  在元素周期表中，砷刚好处于磷之下，它们有相似的共性。作为“酶”的辅基，有些金属在生理功能上是可以互换的。

2、  在循环还未将磷带到地球上的各个角落时，类似GFAJ-1的细菌有可能是富含砷的地方的古老的生命形式。

3、  有砷无磷条件下，细菌体内砷的含量是磷的7.3倍，而在相反条件下生长的细菌，砷的含量仅仅是磷的千分之二。这说明了细菌大量地吸收了砷。

4、  用萃取的方法分离了细菌破裂后的不同组分，发现有相当一部分的砷进入了细菌的DNA中。随后把DNA直接提取出来，也在DNA中发现了大量的砷。科学家们用边缘微量X光吸收谱的技术确认砷在DNA分子中的化合价，发现砷以五价键的形式结合在DNA中，和磷一样。用微量扩展X光吸收精细结构光谱的技术，测量出砷原子和氧原子以及碳原子的结合比例和距离，结果和细菌在有磷无砷的情况下相似。进一步说明，砷是以和磷一样的方式结合到DNA分子中的，也就是说砷完全取代了磷的位置。

5、  据推测，耐盐菌的液泡里面含水少，却含有大量的聚丁酸酯。它们降低了体内环境的亲水性，使得易于被水解的砷化物能提高稳定度。而在有砷无磷的环境下，GFAJ-1有一个巨大的液泡，很可能正好符合了这个条件，使一般情况下并不稳定的砷化物能够顺利地通过代谢的下游环节从而成功地整合到DNA内。

6、  如果砷可以完全取代磷形成生物大分子，GFAJ-1有可能会被定义成第三种生命形式，生命的定义和生命存在的范围将进一步扩大，对外太空生命的寻找将有新的策略。

对该发现的质疑：

1、  并没有提供充分证据证明砷确实成为了DNA或RNA的成分。个别实验结果

还不是很理想，比如先通过DNA电泳分离出基因组，然后在通过质谱确定放射性砷与碳比例的实验中，对照组的DNA有相当的降解，而且对照组的砷碳比例虽然比实验组低，但还是有相当的水平。

2、  如果用砷酸作连接物，DNA链很容易断裂。砷可以以多种形式同核酸结合，因此，砷化物可能只是简单地附着在DNA表面，而不是作为核酸真正的组成成分。

3、  加拿大英属哥伦比亚大学的微生物学家Rosie Redfield通过实验表明DNA中一点儿砷都没有。Marshall Louis Reaves使用氯化铯梯度离心法将DNA分离成不同浓度的片段，再使用质谱仪对每个DNA片段的元素进行确认后，也没有在任何片段中发现砷。而Wolfe-Simon也说到，包含砷的DNA非常脆弱，它会分解开来，只能在从细胞大DNA片段中分离出的模糊条带中找到它。

4、  砷化物的性质不稳定，若砷完全取代了磷，也许不能支撑DNA分子。但Rosie Redfield还分析了储存在实验室冰箱中两个月的细胞DNA尺寸，在含砷和不含砷的培养皿中生长的细胞DNA尺寸相似，这就意味着在砷中生长的细胞DNA并不是不稳定。

5、  砷的分子量更大，化学性质也相对活泼，与磷相比更具金属性，使其在水环境内极不稳定，过短的半衰期导致其不能行使磷元素的生理功能。

我的观点：

1、  目前对生命的起源和什么是生命还没有明确的定义，因此，GFAJ-1细菌有可能是地球上最古老的一种生命形式。

2、  地球上有可能存在“极端微生物圈”。

3、  GFAJ-1菌株在含砷不含磷的培养基上生长，其生长速率降为对照组的60%，如果加入磷，这种细菌生长得更好。砷的原子半径比磷大，造成结构的不稳定，砷在地壳的丰度远远比磷小，砷的相对原子质量大的多，增加了代谢的负担，故细菌在通常条件下，不会用砷代替磷。GFAJ-1细菌也许只是在压力选择下体现了对砷具有超乎寻常的耐受性。或者说是微生物对于有毒物质的一种反应。我们暂时还无法判断，细菌的生理结构和功能在极端环境中是否发生了本质上的改变。

4、  实验中，不断用加入砷酸化合物的培养液稀释培养物，以不断减少土壤样本中自带的磷，到最后，磷的含量减到痕量的级别。但有可能这些磷足以支撑细菌的生长。还应探索代谢循环中所需最少的磷的含量。有可能在循环中以少量的磷作为原材料，砷参与到循环中来，维持了生命活动。这样，无法判断生物的完全有砷无磷的极端环境中能否进行正常的生命活动。

5、  DNA中的磷有可能未被完全取代，砷取代了DNA分子中的部分磷，GFAJ-1细菌还不能完全属于“砷基生命”。

6、  GFAJ-1细菌有可能是在极端环境下由正常细菌演变而来的，砷取代了磷之后，细菌能否产生后代，在进化中处于什么位置都未可知，因此，其是否属于正常的生命形式，能否在进化的角度被定义为生命还有待探索。

参考文献：

1、  F. Wolfe-Simon, P. C. W. Davies, A. D. Anbar, Did nature also choose arsenic? Int. J. Astrobiol.8, 69 (2009).

2、   Rosemary J. Redfield, Comment on “A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus” Science 3 June 2011: Vol. 332 no. 6034 p. 1149

3、  David W. Borhani, Comment on “A Bacterium That Can Grow by Using Arsenic Instead of Phosphorus” Science 3 June 2011: Vol. 332 no. 6034 p. 1149

4、Ronald S. Oremland, Thomas R. Kulp, Jodi Switzer Blum, Shelley E. A Microbial Arsenic Cycle in a Salt-Saturated, Extreme Environment.Science 27 May 2005: 1305-1308.

4、  http://www.stdaily.com/special/content/2012-12/16/content 257206.htm

5、  http://news.dxy.cn/bbs/topic/19073162

6、  BBS.BIOON.COM