編譯 舒愉棉

水熊蟲這種微型動物可以忍受足以殺死人類的極端環(huán)境，也許未來某一天還能協(xié)助新冠疫苗的研發(fā)，它們是怎么做到這一點的呢？

2019年4月11日，以色列月球探測器“創(chuàng)世紀(jì)”在月球上墜毀。按計劃，這架探測器本應(yīng)在澄海（一片數(shù)十億年前由火山噴發(fā)形成的玄武石平原）徐徐著陸，而這一任務(wù)亦將因此成為首個由私人贊助的月球登陸行動。但由于在著陸前最后一分鐘儀器出現(xiàn)故障，“創(chuàng)世紀(jì)”減速未能達(dá)標(biāo)，最終以每小時500公里的速度撞向了月球表面。

從月球的角度來看，這是一次失敗的外來入侵?！皠?chuàng)世紀(jì)”號搭載著一種名叫緩步動物（俗稱“水熊蟲”）的生物，這種動物看上去就像是發(fā)育遲滯的微型毛毛蟲，似乎并不是星際旅行的最佳選擇。但水熊蟲在生物學(xué)界以強(qiáng)大的生存能力聞名，它們能在足以殺死幾乎所有生物的環(huán)境里生存下去，因此“創(chuàng)世紀(jì)”號上有可能會有部分水熊蟲能從這次墜毀事故中幸存下來。

別擔(dān)心，人類并沒有在月球上播種新生命。水熊蟲是在休眠狀態(tài)下被送到月球上去的，并且將以這一狀態(tài)留在月球上；在沒有水的條件下，它們無法恢復(fù)活動，而眾所周知，月球上最缺的就是水。最終，極端的溫度和灼熱的太陽輻射將讓它們?nèi)姼矝]，不過這所需要的時間可能會是十分漫長。

水熊蟲是怎么變得如此頑強(qiáng)，不僅能在太空中幸存下來，甚至還可能熬過高速的月球撞擊的呢？水熊蟲的秘密是什么呢？我們能夠?qū)⑦@一秘密化為己用嗎？也許最深層的問題是，為什么當(dāng)大多數(shù)動物都沒能進(jìn)化得如此堅韌的情況下，水熊蟲卻能實現(xiàn)這一點呢？

搭乘著水熊蟲的以色列月球探測器“創(chuàng)世紀(jì)”在墜毀前數(shù)分鐘拍攝到的月球照片

在我們的日常環(huán)境中要找到水熊蟲并不困難。當(dāng)天氣潮濕的時候，如果你帶上一個便攜式的顯微鏡，到戶外去找一片濕潤的苔蘚或者地衣，你就很可能在上面的水珠里找到飄來蕩去的水熊蟲，它們看上去就像是縮小到微觀尺度的土鱉蟲和毛毛蟲的復(fù)合體。

除了它們的體型特點外，我們對緩步動物的了解可以追溯到很久以前。1773年，德國博物學(xué)家約翰·古埃茲（Johann August Ephraim Goeze）首次將緩步動物記錄在冊，因其特有的行走方式，他將其稱為“小水熊”（little water bears）?！熬彶絼游铩边@一稱謂（ tardigrade，顧名思義即“走得很慢的動物”）是在幾年后由意大利天主教牧師、后轉(zhuǎn)行為生物學(xué)家的拉扎羅·斯帕蘭扎尼（Lazzaro Spallanzani）在其著作《動植物物理手冊》（BookletofAnimaland VegetablePhysics）中賦予它們的。

雖說體型迷你，水熊蟲卻依然是復(fù)雜動物?！八芟x僅由約1 000個細(xì)胞組成，但它們與蟑螂或者果蠅一樣復(fù)雜?！钡湼绫竟髮W(xué)的娜迦·莫比約（Nadja M?bjerg）介紹道。它們的復(fù)雜結(jié)構(gòu)還包括用于刺破藻類細(xì)胞與其他食物源的口器。

意大利摩德納雷焦艾米利亞大學(xué)的洛蕾娜·雷貝基（Lorena Rebecchi）提到，緩步動物還具有非常多元化的繁殖策略。水熊蟲既有雄性與雌性之分，也有雌雄同體的個體，并且有些還能通過孤雌生殖（又稱單性生殖）進(jìn)行繁殖。

然而，上述細(xì)節(jié)都不如緩步動物那非凡的頑強(qiáng)生命力出名。懷俄明大學(xué)的托馬斯·布斯比（Thomas Boothby）為我們細(xì)數(shù)了水熊蟲能夠忍耐的環(huán)境威脅：“它們能在徹底脫水后存活下來；在低至絕對零度的溫度下，所有的分子運(yùn)動都會停止，它們依然能存活下來。在水熊蟲脫水狀態(tài)下，即使是溫度加熱至超過水的沸點，水熊蟲也還能生存下來。在超過人類能夠承受的幾千倍輻射下，水熊蟲也能存活。它們是我們已知的唯一能夠長期暴露在外太空真空環(huán)境還能活下來的生物?！?/p>

緩步動物的幸存故事從斯帕蘭扎尼對它們的研究開始變得脈絡(luò)清晰。斯帕蘭扎尼是在對排水溝中取出的沉淀里摻水時發(fā)現(xiàn)水熊蟲的。在加水之前看上去就像一團(tuán)毫無生氣的“谷?！保诩铀笞兂闪嘶钴S游動的水熊蟲。

斯帕蘭扎尼發(fā)現(xiàn)的水熊蟲在脫水后皺成一團(tuán)，并縮小到約正常大小的1/3。它們不再運(yùn)動，不再呼吸，幾乎不再做任何的事：它們變成了小小的、停止活動的小團(tuán)塊。科學(xué)家將這一現(xiàn)象稱為水熊蟲的“干化狀態(tài)”。緩步動物能夠保持若干年的干化狀態(tài)，直到再次遇到水后才會復(fù)蘇。

約翰·古埃茲，發(fā)現(xiàn)緩步動物并因其特有的移動方式而將其稱為“水熊”的第一人

干化狀態(tài)對于人們常認(rèn)為的“生死一線隔”的觀點是一種挑戰(zhàn)。干化狀態(tài)下的水熊蟲不會做任何在我們看來與“活著”能聯(lián)系起來的事，但它們也并不是死亡的狀態(tài)。

這一點有時會被誤解，挪威奧斯陸大學(xué)自然博物館的詹姆斯·弗萊明（James Fleming）說：“有時候在大眾媒體上會四處散布這樣的觀點，水熊蟲可以存活數(shù)百年?！倍聦嵣?，水熊蟲活躍狀態(tài)下的生命周期僅有數(shù)周。水熊蟲從出生到死亡的間隔時間也許會很長，但這一點成立的前提是水熊蟲將絕大部分的時間都耗費(fèi)在了躲避環(huán)境威脅的“超級休眠態(tài)”。“事實上，我們最好將其視為壽命只有幾周長、不過這幾周不見得一定要連續(xù)的生物。”弗萊明補(bǔ)充道。

進(jìn)入失去行動力的干化狀態(tài)顯然為水熊蟲提供了一條生存之道。如果環(huán)境變得過于干燥、寒冷或者放射性過強(qiáng)，水熊蟲可以縮成一團(tuán)，等到時機(jī)合適再恢復(fù)原狀，但絕大多數(shù)的動物無法做到上述任何一點。哪怕人類可以經(jīng)受得住失去體內(nèi)的絕大多數(shù)水分（當(dāng)然人類絕對做不到這一點），我們依然會死掉：失去水分后，DNA和人體細(xì)胞里其他關(guān)鍵分子會遭到破壞，當(dāng)我們重獲水分時就會發(fā)現(xiàn)，我們身體里沒有哪一樣還能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

水熊蟲體內(nèi)一定發(fā)生了些什么，才能在干化狀態(tài)時將體內(nèi)的重要分子保存良好。

20世紀(jì)后期，美國生物學(xué)家約翰·克羅（John Crowe）和丹麥研究員漢斯·拉姆列夫（Hans Raml?v）都曾致力于研究一個關(guān)鍵分子：一種名為海藻糖的糖分子。在水熊蟲和其他諸如線蟲一類可以在脫水后還能存活的動物體內(nèi)，海藻糖會在水分離開機(jī)體的過程中不斷積累，并在機(jī)體重獲水分后被降解。

“海藻糖是一種重要分子。”雷貝基介紹道。特別是在保護(hù)細(xì)胞外膜這方面，海藻糖似乎頗具作用。與之相對的，如果沒有海藻糖，那么在機(jī)體失水或者溫度低到足以在細(xì)胞內(nèi)部形成冰晶時，細(xì)胞膜就會裂開。

布斯比介紹說，“高濃度的海藻糖能夠形成在某種程度上將萬事萬物速度減慢的超黏稠環(huán)境。雖然機(jī)體的損傷依然會持續(xù)累積，但這種累積會緩慢地發(fā)生——因此，只要水熊蟲不在干化狀態(tài)停留太久，問題應(yīng)該不大。”

布斯比還補(bǔ)充道，水熊蟲還會采取其他的“應(yīng)激耐受機(jī)制”。布斯比的研究團(tuán)隊在2017年發(fā)現(xiàn)，一些水熊蟲能夠合成與眾不同的蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)能夠保護(hù)水熊蟲的細(xì)胞內(nèi)含物?！斑@些蛋白質(zhì)會開始不斷填滿水熊蟲細(xì)胞，”布斯比說，“你可以將這想成是把細(xì)胞內(nèi)部從水狀態(tài)變成蜂蜜狀態(tài)?！弊罱K，細(xì)胞會開始變得像玻璃一樣。

這一能力靠的是蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。所有的蛋白質(zhì)都是像鎖鏈一樣的長分子，然后被扭成薄餅干的形狀。絕大多數(shù)蛋白質(zhì)會傾向于折疊成有限的幾類形狀，而水熊蟲蛋白卻對折疊形狀沒有固定的傾向性，取而代之的狀態(tài)是在細(xì)胞內(nèi)看似隨機(jī)地飄來蕩去。只有這些“內(nèi)在無序蛋白質(zhì)”（IDPs）能夠形成玻璃樣物質(zhì)。

“玻璃樣物質(zhì)能減緩細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的一切生物過程，”布斯比繼續(xù)解釋道，這包括了減緩細(xì)胞損害。舉例來講，絕大多數(shù)蛋白質(zhì)確實需要具有正確的形狀才能正常工作。而周圍的水環(huán)境能協(xié)助蛋白質(zhì)實現(xiàn)這一點?！叭绻畯臋C(jī)體系統(tǒng)中被去除，那么絕大多數(shù)的蛋白質(zhì)會展開和分解，”布斯比說，“通過制造這種細(xì)胞內(nèi)的超黏稠環(huán)境，這些水熊蟲無序蛋白實際上減緩了那些折疊良好的蛋白質(zhì)展開和分解的過程?！?/p>

水熊蟲內(nèi)在無序蛋白質(zhì)在保護(hù)生物物質(zhì)方面能力卓越，因此極有可能在儲存諸如疫苗一類的藥物方面有用武之地?？箵粜鹿谝咔榈囊粋€瓶頸就在于許多疫苗都需要低溫保存，如果能利用內(nèi)在無序蛋白，那么在室溫下保存疫苗將極可能實現(xiàn)?！拔覀冋e極地研究內(nèi)在無序蛋白在這方面的應(yīng)用，”布斯比解釋道，這些蛋白質(zhì)已發(fā)生的所有進(jìn)化旨在實現(xiàn)保護(hù)水熊蟲細(xì)胞的目的，而不是疫苗，因此他的研究團(tuán)隊正努力通過一些小調(diào)整來對蛋白質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，從而改變它們的保護(hù)目標(biāo)。“我們擁有這方面的專利，并且也已經(jīng)建立了一些合作關(guān)系，”他補(bǔ)充道，“如果一切順利，我們將有希望很快看到這一技術(shù)的出現(xiàn)?！?/p>

內(nèi)在無序蛋白也并不是故事的全部內(nèi)容。2016年，東京大學(xué)的國枝武和及其同事發(fā)現(xiàn)，水熊蟲體內(nèi)還有一種名為損傷抑制蛋白（Dsup）的蛋白質(zhì)。Dsup能夠與細(xì)胞內(nèi)的DNA結(jié)合，從而使其免受有害化學(xué)物質(zhì)的破壞。

“我們不知道這個保護(hù)過程是怎么進(jìn)行的，但這的確是行之有效的?！狈▏杀死４髮W(xué)的西蒙·加拉斯（Simon Galas）如是說。

去年，加拉斯的研究團(tuán)隊發(fā)表的一篇關(guān)于干化狀態(tài)下的水熊蟲的研究報道指出，水熊蟲細(xì)胞外會形成類似城堡城墻的結(jié)構(gòu)?！八芟x這一物種能合成一種特殊的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能環(huán)繞水熊蟲的每一個細(xì)胞，防止水熊蟲因脫水而受到傷害，不過其作用也僅僅在于脫水這一方面?！奔永菇榻B道。

布斯比推測，還有更多尚待挖掘?！皫缀蹩梢钥隙ǖ氖?，這些生物還有無數(shù)的用來保護(hù)自己的機(jī)制與技巧?！辈妓贡日f。內(nèi)在無序蛋白似乎非常長于保護(hù)其他蛋白質(zhì)，而Dsup則長于保護(hù)DNA，而水熊蟲體內(nèi)需要受到保護(hù)的除了上述二者外還有許多其他的物質(zhì)與結(jié)構(gòu)。

確實，水熊蟲的部分能力到現(xiàn)在也仍然保持著神秘。舉例來說，2020年，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種可以抵抗高劑量紫外線輻射的水熊蟲亞種，這似乎是通過熒光保護(hù)罩來實現(xiàn)的，但人們卻并不清楚具體是什么熒光物質(zhì)以及該熒光物質(zhì)是如何實現(xiàn)保護(hù)功能的。研究組指出，如果能夠被鑒別出來，那么該熒光物質(zhì)或許能成為新型防曬霜研發(fā)的基礎(chǔ)。

2013年，德國萊比錫生物研究所內(nèi)，生物學(xué)家喬治·梅爾（Georg Mayer）正在為研究水熊蟲神經(jīng)系統(tǒng)準(zhǔn)備盛有水熊蟲的培養(yǎng)皿

諸如此類的研究為解釋水熊蟲為何生命力如此頑強(qiáng)指出了一條明路，但卻并沒有告訴我們背后原因。如果這樣頑強(qiáng)的生命力是可以存在的，那么為什么唯獨只有這些奇特的小動物擁有它？問題的答案可能存在于水熊蟲的進(jìn)化史中。

研究人員認(rèn)為他們掌握了故事的基本內(nèi)容。同其他主要動物群一樣，水熊蟲也起源于海洋。數(shù)百萬年后，它們與昆蟲等其他群體一起開始了登陸上岸的冒險之旅，但在陸地上，它們遇到了一個問題：脫水。

包括爬行動物在內(nèi)的其他陸生動物進(jìn)化出了防水的皮膚，從而讓自身不會輕易失去體內(nèi)的水分，但水熊蟲沒有?！八芟x的皮膚無法讓它們在到達(dá)陸地時鎖住體內(nèi)的水分?！蹦燃s說。相反，它們進(jìn)化出了干化狀態(tài)，一種當(dāng)環(huán)境變得艱苦時就進(jìn)入休眠狀態(tài)的策略。

從這個角度來看，水熊蟲應(yīng)該是先進(jìn)化出了對脫水的適應(yīng)能力，從而能夠在干燥的陸地上生存下來。它們的策略就是進(jìn)入到休眠狀態(tài)，而在這一狀態(tài)里，它們的細(xì)胞和器官被保護(hù)性化學(xué)物質(zhì)包裹起來。這在不經(jīng)意間也讓水熊蟲變得對寒冷和輻射等其他刺激變得更具抵抗能力，因為暫時停止所有的機(jī)體活動這一策略在上述條件下也能適用。

如果這一理論屬實，那么水熊蟲接近無敵的生存力屬于某種意義上的意外收獲。這一意外收獲運(yùn)轉(zhuǎn)得如此之好，以至于能夠讓水熊蟲在外太空環(huán)境下都能保護(hù)自己。

資料來源TheGuardian