美國宇航局（ＮＡＳＡ）日前宣布，在地球上發現了一種全新的生命形式——一種依靠砷作為自身生命基礎的奇特細菌。與傳統生命不同的，這種被稱作ＧＦＡＪ－１的細菌能在砷濃度很高的極端環境下生存，它主要由砷而不是磷作為重要的生物分子（如核酸、蛋白質）的構成，因而被稱為「砷基生命」。這一發現改變了人們關於「生命由碳、氫、氧、氮、硫、磷」六大基本元素組成的認識，對探索生命起源和外星生物等問題都有重要的啟發意義。
尋找「超自然生命」的發現
這項研究是由美國宇航局天體生物學研究所生物學家法利薩·沃爾夫－西蒙帶領的研究團隊完成的，他們是在加州境內的莫諾湖中發現這種新生命的，研究結果發表在美國《科學》雜誌上。莫諾湖是一個有７６萬年歷史的沙漠湖泊，湖水鹽鹼度極高，也是地球上天然水體裡砷含量最高的地方。研究人員在湖底發現並在實驗室成功培育的ＧＦＡＪ－１菌株——屬於變形菌門（Ｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ），它是一種單細胞細菌，也是湖中成長最好的細菌。
早在２００６年，西蒙在與其他科學家的討論中就有了尋找「超自然生命」的想法。在地球上，舒適的環境都被傳統意義上的生命所佔據，作為異類的「新生命」恐怕只能存在於極端環境中。在元素周期表中砷與磷是同族元素，它們具有相似的性質，西蒙和同事猜測或許存在「以砷代磷」的生命形態，莫諾湖這樣富含砷的環境就成了理想選擇。
為驗證這一猜想，研究人員把從湖底採集的沉積物樣本帶回實驗室分析。在實驗組富含砷的培養皿中，他們不添加任何磷酸鹽或含磷化合物，同時不斷轉移培養液以降低環境中磷元素的含量。他們起初並未期待培養皿中的微生物能倖存下來，西蒙說，每天去實驗室時都要屏住呼吸，擔心微生物會死掉。終於有一天，他們驚喜地在顯微鏡下觀察到了快速移動的杆狀細菌。這種在砷中生長的細菌比在磷中的要大６０％。
實驗結果還表明，砷已經成為細菌ＤＮＡ、蛋白質等生物大分子的重要組成元素。研究人員利用放射性同位素標記溶液中的砷，發現該細菌中的蛋白質、脂肪、ＡＴＰ（三磷酸腺苷，生命活動能量的直接來源）以及核酸（ＤＮＡ與ＲＮＡ均屬核酸）都含砷。生物分子中的砷含量和一般細胞中的磷含量無異。當他們利用類Ｘ光分析ＤＮＡ時，發現砷以砷酸（在常規ＤＮＡ中是磷酸）的形態存在於ＤＮＡ中，並且和碳以化學鍵連接。
磷元素為何被砷取代
長期以來，人們對生命的基本認識是：生命是由碳、氫、氧、氮、硫、磷６種基本元素組成的。這一結論已經被寫入教科書，在長達數百年的現代生命科學研究中從未被打破。然而，美國研究人員的發現卻陳述了這樣一個事實：組成生命的「第七元素」是存在的。研究人員成功地在實驗室富含砷的環境中培養出了新生命，它的獨特之處並不在於能忍受高濃度砷的極端環境，而是將這種被認為有毒的元素納入自己的生命機制。
「砷基生命」被發現後，人們很容易問這樣一個問題：為什麼在六大基本元素中是磷被取代，而不是其他元素？要回答這個問題，需要先考察一下各個元素在組成生命中的作用。
對地球上的生命而言，生命的物質基礎是由核酸、蛋白質、脂肪、多糖等組成，其中核酸是遺傳物質，後面３種則是具有重要生理功能的物質。在六大元素中，碳、氫、氧、氮是基本元素，例如多糖是由碳、氫、氧組成的，核酸、蛋白質中的氮元素也是主要角色。另外兩種元素硫、磷則只能被劃入「重要元素」之列，它們的含量要小得多，只起到輔助作用。例如硫構成了兩種胺基酸（半胱胺酸和蛋氨酸）的重要基團，磷則是ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＡＴＰ、磷脂（一種組成細胞膜的脂類）的組成部分。
六大元素中替換難度最大的是碳、氫、氧、氮４種元素，替換其中任何一種都要涉及生物分子整體結構的劇變。而在富含砷的環境中，最容易被替換的就是磷了。在元素周期表中砷和磷是同族元素，它們的物理、化學性質都相近。其實砷之所以有毒，就在於它與磷太像了，容易被生物錯用，幹擾本該由磷來參與的生命過程。例如常溫下的試管裡，ＡＭＰ（單磷酸腺苷，ＲＮＡ的基本單元之一）需要酶促反應才能生成，而ＡＭＡｓ（單砷酸腺苷）很容易自動生成。
通常條件下，為什麼不接受砷作為前面說到的那些很重要的生命物質的組分呢？因為常溫下，砷的化合物不如磷的化合物穩定，如果ＤＮＡ分子裡面有砷酸用作連接物，ＤＮＡ鏈就很容易從砷酸那裡斷裂。可是，ＧＦＡＪ－１菌株，作為一種罕見的生物，做到了把砷安全地利用起來，並且表現出了相當的穩定性，這讓人吃驚不小。但這穩定性可能是因磷沒有被砷全部替換。在對基因組進行詳細分析之前，我們暫時還不知道它們是怎麼做到的。
對專業研究人員和普通民眾來說，「砷基生命」的發現都讓人眼界大開。新發現首先引起了關於生命起源的問題。ＧＦＡＪ－１具有很好的利用砷的能力，而這種能力不可能是一時形成的，或者說，自然界或許從很久以前即存在利用砷酸ＤＮＡ的生物。有科學家推測說，或許上古時代地球上的生物就是靠砷生存的，只是後來隨著環境的改變讓磷後來居上。如果地球曾經這樣過，何況外星球呢？相對地球而言很多外星球都是極端環境，出現「砷基生命」、「硒基生命」（硒代替硫）甚至四大基本元素被替換的可能性不是沒有。正如美國宇航局負責人韋勒指出的，生命的定義擴大了，在尋找太陽系生命信號時，需要放開思維，考慮更多我們不知道的但多樣化的生命。
反對者稱證據還不充分
《科學》雜誌發表了西蒙研究小組的研究後，科學界曾對新發現一陣歡呼，但也出現了質疑的聲音。英國自然《雜誌》網站刊文稱，美國南加州大學的生化學家帕賽克認為，細菌ＤＮＡ中的砷可能只是被ＤＮＡ所吸附，而非ＤＮＡ的結構組成部分；加拿大不列顛哥倫比亞大學微生物學家羅茜·雷德福對論文中的實驗細節提出質疑。「美國宇航局沒有拿出任何能說服人的證據來說明砷元素已經進入了ＤＮＡ，或者別的什麼生物分子。」科羅拉多大學的雪萊科普利甚至說：「這篇論文根本不應該發表。」
質疑的主要問題是，這篇文章還沒有提供充分證據證明砷確實摻入到ＤＮＡ或ＲＮＡ中去，真正成為核酸結構的組成部分。砷可以多種形式同核酸進行結合，如簡單附著，像溴化乙啶（一種ＤＮＡ螢光染料）一樣插入ＤＮＡ的螺旋溝內。怎樣排除這兩種情況呢？西蒙等人在論文中提到了一種ＣＣＴ（碰撞室技術）分析方法。批評者認為用這種方法不能很好地排除核酸與砷非實質性結合的情況。麻省理工學院生化學家羅格·薩蒙的建議是靶向質譜分析，具體步驟是把純化的ＤＮＡ打斷，通過質譜測定精確的分子量，從分子量變化確定砷是否真的摻入其中。