最强幸存者：水熊虫

发布时间：21年06月25日

编译舒愉棉

水熊虫这种微型动物可以忍受足以杀死人类的极端环境，也许未来某一天还能协助新冠疫苗的研发，它们是怎么做到这一点的呢？

2019年4月11日，以色列月球探测器“创世纪”在月球上坠毁。按计划，这架探测器本应在澄海（一片数十亿年前由火山喷发形成的玄武石平原）徐徐着陆，而这一任务亦将因此成为首个由私人赞助的月球登陆行动。但由于在着陆前最后一分钟仪器出现故障，“创世纪”减速未能达标，最终以每小时500公里的速度撞向了月球表面。

搭乘着水熊虫的以色列月球探测器“创世纪”在坠毁前数分钟拍摄到的月球照片

从月球的角度来看，这是一次失败的外来入侵。“创世纪”号搭载着一种名叫缓步动物（俗称“水熊虫”）的生物，这种动物看上去就像是发育迟滞的微型毛毛虫，似乎并不是星际旅行的最佳选择。但水熊虫在生物学界以强大的生存能力闻名，它们能在足以杀死几乎所有生物的环境里生存下去，因此“创世纪”号上有可能会有部分水熊虫能从这次坠毁事故中幸存下来。

别担心，人类并没有在月球上播种新生命。水熊虫是在休眠状态下被送到月球上去的，并且将以这一状态留在月球上；在没有水的条件下，它们无法恢复活动，而众所周知，月球上最缺的就是水。最终，极端的温度和灼热的太阳辐射将让它们全军覆没，不过这所需要的时间可能会是十分漫长。

水熊虫是怎么变得如此顽强，不仅能在太空中幸存下来，甚至还可能熬过高速的月球撞击的呢？水熊虫的秘密是什么呢？我们能够将这一秘密化为己用吗？也许最深层的问题是，为什么当大多数动物都没能进化得如此坚韧的情况下，水熊虫却能实现这一点呢？

在我们的日常环境中要找到水熊虫并不困难。当天气潮湿的时候，如果你带上一个便携式的显微镜，到户外去找一片湿润的苔藓或者地衣，你就很可能在上面的水珠里找到飘来荡去的水熊虫，它们看上去就像是缩小到微观尺度的土鳖虫和毛毛虫的复合体。

除了它们的体型特点外，我们对缓步动物的了解可以追溯到很久以前。1773年，德国博物学家约翰 · 古埃兹（Johann August Ephraim Goeze）首次将缓步动物记录在册，因其特有的行走方式，他将其称为“小水熊”（little water bears）。“缓步动物”这一称谓（ tardigrade，顾名思义即“走得很慢的动物”）是在几年后由意大利天主教牧师、后转行为生物学家的拉扎罗 · 斯帕兰扎尼（Lazzaro Spallanzani）在其著作《动植物物理手册》（Booklet of Animal and Vegetable Physics）中赋予它们的。

虽说体型迷你，水熊虫却依然是复杂动物。“水熊虫仅由约1 000个细胞组成，但它们与蟑螂或者果蝇一样复杂。”丹麦哥本哈根大学的娜迦 · 莫比约（Nadja M?bjerg）介绍道。它们的复杂结构还包括用于刺破藻类细胞与其他食物源的口器。

意大利摩德纳雷焦艾米利亚大学的洛蕾娜 · 雷贝基（Lorena Rebecchi）提到，缓步动物还具有非常多元化的繁殖策略。水熊虫既有雄性与雌性之分，也有雌雄同体的个体，并且有些还能通过孤雌生殖（又称单性生殖）进行繁殖。

然而，上述细节都不如缓步动物那非凡的顽强生命力出名。怀俄明大学的托马斯 · 布斯比（Thomas Boothby）为我们细数了水熊虫能够忍耐的环境威胁：“它们能在彻底脱水后存活下来；在低至绝对零度的温度下，所有的分子运动都会停止，它们依然能存活下来。在水熊虫脱水状态下，即使是温度加热至超过水的沸点，水熊虫也还能生存下来。在超过人类能够承受的几千倍辐射下，水熊虫也能存活。它们是我们已知的唯一能够长期暴露在外太空真空环境还能活下来的生物。”

缓步动物的幸存故事从斯帕兰扎尼对它们的研究开始变得脉络清晰。斯帕兰扎尼是在对排水沟中取出的沉淀里掺水时发现水熊虫的。在加水之前看上去就像一团毫无生气的“谷粒”，在加水之后变成了活跃游动的水熊虫。

斯帕兰扎尼发现的水熊虫在脱水后皱成一团，并缩小到约正常大小的1/3。它们不再运动，不再呼吸，几乎不再做任何的事：它们变成了小小的、停止活动的小团块。科学家将这一现象称为水熊虫的“干化状态”。缓步动物能够保持若干年的干化状态，直到再次遇到水后才会复苏。

约翰·古埃兹，发现缓步动物并因其特有的移动方式而将其称为“水熊”的第一人

干化状态对于人们常认为的“生死一线隔”的观点是一种挑战。干化状态下的水熊虫不会做任何在我们看来与“活着”能联系起来的事，但它们也并不是死亡的状态。

这一点有时会被误解，挪威奥斯陆大学自然博物馆的詹姆斯 · 弗莱明（James Fleming）说：“有时候在大众媒体上会四处散布这样的观点，水熊虫可以存活数百年。”而事实上，水熊虫活跃状态下的生命周期仅有数周。水熊虫从出生到死亡的间隔时间也许会很长，但这一点成立的前提是水熊虫将绝大部分的时间都耗费在了躲避环境威胁的“超级休眠态”。“事实上，我们最好将其视为寿命只有几周长、不过这几周不见得一定要连续的生物。”弗莱明补充道。

进入失去行动力的干化状态显然为水熊虫提供了一条生存之道。如果环境变得过于干燥、寒冷或者放射性过强，水熊虫可以缩成一团，等到时机合适再恢复原状，但绝大多数的动物无法做到上述任何一点。哪怕人类可以经受得住失去体内的绝大多数水分（当然人类绝对做不到这一点），我们依然会死掉：失去水分后，DNA和人体细胞里其他关键分子会遭到破坏，当我们重获水分时就会发现，我们身体里没有哪一样还能正常运转。

水熊虫体内一定发生了些什么，才能在干化状态时将体内的重要分子保存良好。

20世纪后期，美国生物学家约翰 · 克罗（John Crowe）和丹麦研究员汉斯 · 拉姆列夫（Hans Raml?v）都曾致力于研究一个关键分子：一种名为海藻糖的糖分子。在水熊虫和其他诸如线虫一类可以在脱水后还能存活的动物体内，海藻糖会在水分离开机体的过程中不断积累，并在机体重获水分后被降解。

“海藻糖是一种重要分子。”雷贝基介绍道。特别是在保护细胞外膜这方面，海藻糖似乎颇具作用。与之相对的，如果没有海藻糖，那么在机体失水或者温度低到足以在细胞内部形成冰晶时，细胞膜就会裂开。

布斯比介绍说，“高浓度的海藻糖能够形成在某种程度上将万事万物速度减慢的超黏稠环境。虽然机体的损伤依然会持续累积，但这种累积会缓慢地发生——因此，只要水熊虫不在干化状态停留太久，问题应该不大。”

布斯比还补充道，水熊虫还会采取其他的“应激耐受机制”。布斯比的研究团队在2017年发现，一些水熊虫能够合成与众不同的蛋白质，这种蛋白质能够保护水熊虫的细胞内含物。“这些蛋白质会开始不断填满水熊虫细胞，”布斯比说，“你可以将这想成是把细胞内部从水状态变成蜂蜜状态。”最终，细胞会开始变得像玻璃一样。

这一能力靠的是蛋白质的三维结构。所有的蛋白质都是像锁链一样的长分子，然后被扭成薄饼干的形状。绝大多数蛋白质会倾向于折叠成有限的几类形状，而水熊虫蛋白却对折叠形状没有固定的倾向性，取而代之的状态是在细胞内看似随机地飘来荡去。只有这些“内在无序蛋白质”（IDPs）能够形成玻璃样物质。

“玻璃样物质能减缓细胞内发生的一切生物过程，”布斯比继续解释道，这包括了减缓细胞损害。举例来讲，绝大多数蛋白质确实需要具有正确的形状才能正常工作。而周围的水环境能协助蛋白质实现这一点。“如果水从机体系统中被去除，那么绝大多数的蛋白质会展开和分解，”布斯比说，“通过制造这种细胞内的超黏稠环境，这些水熊虫无序蛋白实际上减缓了那些折叠良好的蛋白质展开和分解的过程。”

水熊虫内在无序蛋白质在保护生物物质方面能力卓越，因此极有可能在储存诸如疫苗一类的药物方面有用武之地。抗击新冠疫情的一个瓶颈就在于许多疫苗都需要低温保存，如果能利用内在无序蛋白，那么在室温下保存疫苗将极可能实现。“我们正积极地研究内在无序蛋白在这方面的应用，”布斯比解释道，这些蛋白质已发生的所有进化旨在实现保护水熊虫细胞的目的，而不是疫苗，因此他的研究团队正努力通过一些小调整来对蛋白质进行优化，从而改变它们的保护目标。“我们拥有这方面的专利，并且也已经建立了一些合作关系，”他补充道，“如果一切顺利，我们将有希望很快看到这一技术的出现。”

内在无序蛋白也并不是故事的全部内容。2016年，东京大学的国枝武和及其同事发现，水熊虫体内还有一种名为损伤抑制蛋白（Dsup）的蛋白质。Dsup能够与细胞内的DNA结合，从而使其免受有害化学物质的破坏。

“我们不知道这个保护过程是怎么进行的，但这的确是行之有效的。”法国蒙彼利埃大学的西蒙 · 加拉斯（Simon Galas）如是说。

去年，加拉斯的研究团队发表的一篇关于干化状态下的水熊虫的研究报道指出，水熊虫细胞外会形成类似城堡城墙的结构。“水熊虫这一物种能合成一种特殊的结构，这种结构能环绕水熊虫的每一个细胞，防止水熊虫因脱水而受到伤害，不过其作用也仅仅在于脱水这一方面。”加拉斯介绍道。

布斯比推测，还有更多尚待挖掘。“几乎可以肯定的是，这些生物还有无数的用来保护自己的机制与技巧。”布斯比说。内在无序蛋白似乎非常长于保护其他蛋白质，而Dsup则长于保护DNA，而水熊虫体内需要受到保护的除了上述二者外还有许多其他的物质与结构。

确实，水熊虫的部分能力到现在也仍然保持着神秘。举例来说，2020年，研究人员发现了一种可以抵抗高剂量紫外线辐射的水熊虫亚种，这似乎是通过荧光保护罩来实现的，但人们却并不清楚具体是什么荧光物质以及该荧光物质是如何实现保护功能的。研究组指出，如果能够被鉴别出来，那么该荧光物质或许能成为新型防晒霜研发的基础。

诸如此类的研究为解释水熊虫为何生命力如此顽强指出了一条明路，但却并没有告诉我们背后原因。如果这样顽强的生命力是可以存在的，那么为什么唯独只有这些奇特的小动物拥有它？问题的答案可能存在于水熊虫的进化史中。