水熊虫

缓步动物的环境抗性是在运动能力极差、经常面对干湿交替和食物短缺的情况下进化出来苟延残喘的，缓步动物对打击、劈砍、刺穿、剪切等机械损伤的抗性很普通，又缺乏毒素之类保卫自身的生理功能，可以被其他生物轻易捕食。土壤里自由生活的线虫、螨类、蜘蛛、弹尾目、多种肉食性昆虫在自然环境中会攻击、杀死并消化水熊虫。你在吃西红柿、生菜等食材时也常常吃掉上面的水熊虫并将其消化吸收。

水熊虫在非隐生状态的总寿命只有两到三年，常温下隐生状态的水熊虫有概率持续至多十年再苏醒，也有概率就这样死掉，常温下隐生超过十年的水熊虫在实验室从未成功苏醒。持续低温保存的水熊虫在这方面的表现跟线虫相近，极限约 30 年。

在容器里加热一群水熊虫的科学实验证明，82.7 摄氏度的环境会在一小时内杀死一半的隐生状态水熊虫，63.1 摄氏度的环境会在一天内杀死一半的隐生状态水熊虫。

结果发现超过 900 米每秒的撞击速度就会将处于隐生状态的水熊虫打烂成一摊糊状物，死得透透的。相比之下，实验证明，常见的细菌生物膜可以承受出膛速度 5000 米每秒的陶瓷颗粒的直接攻击，撞击点的细菌都不会全数死亡[3]。秀丽隐杆线虫可以承受 40 万倍重力加速度的加速度，和大肠杆菌相同。

同时，这些人对多种地球生物在太空中长期生存的事实一无所知。

缓步动物暴露在太空而失去外来氧气供应之后，能活动的时间其实也只有几分钟到几天，然后只能在新陈代谢基本停止的“隐生状态”等待环境变好。2007 年俄罗斯进行的实验里所谓暴露在太空 10 天还能复苏的水熊虫，被人类的航天器遮挡着太阳辐射的部分相对好一点，暴露于太阳辐射的部分复苏率低下且生育力受损。

卡门线以外的稀薄大气中仍然存在来自地球的微生物。卡门线是公认的外太空与地球大气层的分界线，海拔 100 千米。一些微生物长期漂浮在 48 千米到 77 千米高度的大气中繁衍生息，大气运动可以偶然将其带到卡门线以外。

缓步动物这样的小型无脊椎动物体内的大部分细胞并不积极分裂，在数百戈瑞的辐射强度下受到的损害较小。缓步动物用来抵抗恶劣环境的一些蛋白质可以保护 DNA、一些酶可以修复断裂的 DNA（无论断裂原因是高温、缺水还是辐射）。

缓步动物确实比人更能抵抗核辐射，但核辐射的强度大起来后还是会对缓步动物造成明显损害，导致生理功能异常、繁殖能力丧失、死亡等后果。号称在近地轨道上承受宇宙线和太阳辐射后生还的缓步动物其实死了 88%。

相比之下，我们已经知道抗辐射奇异球菌在 5000 戈瑞下几乎无损、在 7000 戈瑞下有 63% 正常生活繁殖、在 15000 戈瑞下有 37% 正常生活繁殖，Rubrobacter radiotolerans 在 16000 戈瑞下有 63% 正常生活繁殖，放线菌门、广古菌门、变形菌门都有可以在 10000 戈瑞下正常生活繁殖的物种。我们已经知道许多微生物和真菌能生活在切尔诺贝利核电站、福岛核电站泄漏之后的辐射防护墙内部，并以电离辐射作为能源茁壮成长。目前我们知道的最耐辐射的地球生物是古菌 Thermococcus gammatolerans，可以在 30000 戈瑞的伽马射线下生活，无论是否在分裂期，都能修复断裂的 DNA。

18世纪70年代的某一天，意大利生物学家Lazzaro Spallanzani在采集自排水沟的沉积物中加入了一些水。在显微镜下，他看到一堆死气沉沉的“谷物”变成了会游泳的小动物。这种动物体长只有0.5毫米左右，移动十分缓慢。因为好奇，他便开始对其进行观察。几年后，在撰写的《动物和蔬菜物理手册》（Opuscoli di Fisica animale e vegeile）一书中，他将其命名为“缓步动物”（Tardigrada）。

无独有偶，在Spallanzani发现缓步动物的数年前，德国动物学家Johann August Ephraim Goeze已经发现了一种类似的动物，考虑到它的外形有点类似于北极熊或灰熊，且喜欢生活在潮湿的环境中，便将其命名为“小水熊虫”（Kleiner Wasserbär）。

Spallanzani和Goeze身处不同的国家，发现的却都是缓步动物（也称为水熊虫），这是因为水熊虫能在全球各地的各种栖息地中生存。为了适应各种环境，它们演化出了大量的属和种，目前已发现了1000多种水熊虫，形成一个缓步动物门。它们外形很相似，头部发育良好，身体由四个融合的部分组成，每个部分都有一对短而粗壮的四肢，而末端通常有数个锋利的爪子。

生存环境不好就“躺平”

Spallanzani开始研究缓步动物后，就大致弄清楚了它们的生存策略：生存环境一旦变得恶劣，例如缺水，它们就会萎缩变成“桶状”，体内的水分从85%左右降到3%（失去体内96.4%的水分），身体会缩小到正常大小的1/3。它们会停止移动、呼吸等几乎任何活动，新陈代谢速率变得只有原来的1%。就这样待上数十年甚至上百年后，只要再一次遇水，十多分钟后，它们又能重新变得活力满满，就像重生了一般。

不得不说，这种战胜时间的生存技能十分罕见。如今，科学家发现这种情况只存在于少部分无脊椎动物中，除了缓步动物外，蛭形轮虫、线虫也可以在任何发育阶段进入脱水状态——也称为低温休眠（anhydrobiosis）。

挪威奥斯陆大学的博士后研究员James Fleming认为，由于缓步动物拥有的能力，人们可能会误解它可以活上几百年，而水熊虫的活跃寿命可能只有几周，只不过它们从生到死的时间间隔很漫长，而大部分时间都在休眠中度过。水熊虫会通过一种坚不可摧的“躺平”策略，来应对环境的各种威胁：进入低温休眠后，可以在真空中待上8天，抵抗极端温度（例如在−272℃待上几天）、极端干燥、高速运动和太空辐射等等。

抗氧化、X射线的超能力

感叹于水熊虫神奇的能力，一些科学家曾经猜测它们可能是一种“弗兰肯斯坦”生物——细菌和动物的基因混合体。但在2017年，日本东京大学等机构的科学家在一项发表于Plos Biology的研究中揭示，水熊虫的DNA看上去十分正常。

从基因上看，研究者并没有找到它们在极端环境下存活的特别技巧。但依然有一些基因证据（主要是可以控制生物形体发育的Hox基因）指出，水熊虫和线虫的亲缘关系最近。两者还有其他的相似特征，例如都能进行低温休眠。

文章的作者之一Takekazu Kunieda对水熊虫具有浓厚的兴趣，已经对其进行了长达20多年的研究，而最吸引他的莫过于水熊虫脱水后具有多种超能力，且还能从这种假死状态下再次恢复活力。如果能弄清楚这背后的原因，有朝一日或能帮助人类实现太空旅行。

他的研究团队关注的是水熊虫中耐受力非常强的Ramazzottius varieornatus。在分别发表于2016年和2019年的两项研究中，他们在这种水熊虫体内找到了一种特有的蛋白质Dsup，这是一种损伤抑制蛋白。研究者发现，它一方面能包裹水熊虫的DNA，防止其被X射线损伤，另一方面能在其染色体周围形成云状结构，抑制大量自由基给DNA造成的损伤。他们还尝试让人类细胞表达这种蛋白质，结果发现它也能保护细胞中的DNA。

破解低温休眠的秘密

今年9月，他们在一篇发表于Plos Biology的研究中，揭示了水熊虫能通过低温休眠跨越时间，延长生命的秘诀。遭遇脱水时，生物体内的细胞会收缩、变形，由此产生的机械应力会破坏细胞的完整性和功能。一些研究发现，许多生物会利用海藻糖或胚胎晚期丰富蛋白（LEA蛋白）来应对脱水的危险。其中，海藻糖能替代细胞内的水，形成类似玻璃的固体状态，在不伤害细胞中各种成分的情况下保存它们。

Kunieda等人研究了水熊虫Ramazzottius varieornatus，发现这种水熊虫中也存在海藻糖和LEA蛋白，但含量较少。由此看来，水熊虫还有独特的物质来避免因严重脱水而遭受的损伤。通过对水熊虫体内的蛋白质进行多重筛选，他们发现了一种类似LEA蛋白的热融性蛋白——细胞质丰富热融性蛋白（CAHS）。这类蛋白质并非存在于所有的缓步动物中，而是只存在于其中的一纲（eutardigrades）中。在他们研究的水熊虫体内，主要存在3种CAHS蛋白，分别是CAHS12、CAHS3和CAHS8。

CAHS蛋白和LEA蛋白对应的DNA序列没有任何相似之处，但这并不妨碍它们具有相同的性质，都具有热融性，有水是无序状态，但缺水时却可以变为螺旋状。在缺水休眠的水熊虫体内，CAHS会充当细胞的骨架，其形成的致密丝状物会变成凝胶状（每毫升含有4毫克的CAHS）。

这种凝胶具有高度保留水的能力，能避免水熊中剩余的水分蒸发，且能保护其细胞体内的各种酶，维持水熊虫体内的细胞在缺水状态下具有机械稳定性。而正是这种蛋白质的特殊性（可能还有其他的蛋白质），保证了水熊虫在休眠数十年甚至一个世纪后，仍能存活。在一些实验中，研究者还发现这类蛋白质还能提高细胞状微液滴的机械强度，在昆虫细胞中，也能增加细胞的抗变形能力。

虽然，CAHS蛋白只存在于一类水熊虫中，但研究人员认为应该一些类似的蛋白质可能存在于耐脱水的生物中，比如沉睡摇蚊（sleeping chironomid）和一种盐水虾Artemia等。文章的通讯作者Kunieda说，“缓步动物的一切都很迷人，一些物种可以在极端的环境中生存，这促使我们探索从未见过的机制和生物结构。对于生物学家来说，这个领域是一座金矿。”

作为世界上生命力最强的生物之一，水熊虫可以追溯到5亿年前的寒武纪，经过漫长的进化，水熊虫体型变得极小，介于50微米~1.4毫米，拥有八条圆乎乎的胖腿，周身覆盖一层水膜，在显微镜下可以看到它们憨态可掬地爬动前行。水熊虫虽小，但从巍峨高山到无尽深海，从汩汩热泉到南极冰层，处处都有它们的身影，甚至真空状态下，它们还能正常产卵。

　　当周边环境变得严酷时，水熊虫就会进入一种近乎“无敌”的状态来——将八条腿蜷缩起来，圆乎乎的身体变得干瘪皱缩，排出体内几乎所有水分，这是一种名为“隐生盏”的干壳状态，一切新陈代谢几乎停止，好比“假死”状态。

水熊虫也有致命的弱点，“不耐机械损伤”，也就是说你可以轻易捏死它们，但其他附带的“种族生存优势”仍令人刮目相看。近日，美国北卡罗来纳大学的一项新研究显示：水熊虫的“脱水”能力可能导致它从细菌和其他生物体中吸收外源基因，从而拥有了如此多的生存技能。该研究发表于《美国国家科学院院报》。

　　无敌耐受能力

　　与“偷”来的基因有关

　　为了进一步了解水熊虫的“超能力”，美国北卡罗来纳大学的研究人员托马斯·布思比和团队近日进行全世界首次水熊虫基因组测序，得出的结论令人吃惊——水熊虫约有6000种基因来自其他物种，包括细菌、古菌、真菌和植物。外源基因占它基因总数目的约六分之一。

　　一开始，托马斯看到数据中满是来自细菌和其他生物体的基因时，“团队人员都以为是污染。”他说。他们猜测，也许是微生物混入了样本，导致它们的DNA掺进了水熊虫的基因组中。但很快，研究小组就排除了这种意外。

　　于是，托马斯团队做出如此解释：通过脱水，水熊虫反而变成了一块能吸水的“海绵”——只不过，它吸收的是外源基因。这种“基因水平转移”情况对于细菌来说并不罕见，它们交换基因就跟人类收发电子邮件般容易。但之前的研究认为，“基因水平转移”在动物中非常罕见。

　　那么，这些外来基因起初是怎么进入水熊虫基因组的呢？托马斯认为，答案就隐藏在水熊虫的三个怪诞的生物学特性中。首先，它们能脱水，在这一过程中，它们的DNA分子会自然地断裂成小段；其次，它们能通过吸水重获新生，在这个过程中，细胞变得千疮百孔，因而能够从环境中吸收包括DNA在内的各种分子；最后，它们非常擅长修复DNA，修补脱水造成的损伤。

　　这些基因有功能吗？目前，研究小组发现水熊虫启动了一些“偷“来的基因，在原本的生物体中，这些基因与对抗环境压力相关。因此他们推测，水熊虫传奇般的耐受能力可能与外来基因本身的特殊功能有关。

　对此，中山大学生命科学学院艾云灿教授解释道，像水熊虫这种捕获外源基因的行为，可以归为基因水平转移（HGT），相对于垂直基因转移（亲代传递给子代）来说，它打破了亲缘关系的界限，使基因流动的可能性变得更为复杂。

　　艾教授说：“基因水平转移不仅局限于微生物细菌之间，同时也在许多动物的进化中起到了重要作用，已发现的基因转移可发生于细菌与高等生物，甚至是高等生物之间。”他指出，单是人类基因组中，就大约有10％的基因来自细菌。

　　据艾教授说，生物体普遍存在着“外源基因捕获系统”。在漫长的生物进化过程中，细菌和病毒作为地球上最早诞生的生命体，在生物体基因组的起源、发育、分化过程中扮演着“始作俑者”和供给者的角色。经过阶段性的基因交换、融合，最终形成了生物的多样性。

　　而外源基因被捕获后，大多数是带着“功效”来的。艾云灿指出，由于生物的自然选择适应性，被捕获的外源基因在被表达后，通常会在新宿主中体现出原有的功能，赋予新宿主“超能力”，比如发光、抗逆等等。

　　随着科学发展，越来越多动物基因水平转移的例子开始被发现——蜱虫拥有来自细菌的制造抗生素的基因，能抵抗农药杀害；蚜虫从真菌那儿偷来了显色基因，让自己变得红彤彤的；黄蜂把病毒基因化为自己的生物武器，控制寄主瓢虫作为保护后代的“保镖”；粉蚧壳虫利用多种微生物基因来改善伙食，自己动手丰衣足食，能制造重要的营养物质，如氨基酸；还有一类被形象地称为“空间侵略者”的基因，不断地在蜥蜴、蛙类、啮齿类以及其他动物间转移。

　　虽然目前人类看似没有因为基因水平转移获得明显的“特异功能”，蜘蛛侠也只存在于电影中，但无可否认，外源基因捕获系统一直在默默地支持着我们逐步进化。

　　惊天逆转：谁的实验更靠谱？

　　不过，仅仅在美国北卡罗来纳大学的研究发表一周后，他们的观点就受到了质疑。英国爱丁堡大学的研究小组也对同种水熊虫进行了基因组测序，他们的实验结果却大相径庭：结果表明水熊虫中只找到了极少量的水平转移基因，少至仅仅36个，最多也就500个，对动物基因组来说，这个数目在正常范围内。因此他们认为，北卡小组的测序和分析发生了错误，误将跟水熊虫一起生活的细菌基因统计进去。

　　之所以会出现这样的争论，是因为到目前为止，科学家还没有能够连续测序基因组的技术，所以他们得将DNA打碎，再测序这些DNA片段，并将这些测序片段组装成连续的完整基因组。在这个过程中，爱丁堡小组发现有些测序片段数量尤其罕见，而另一些测序片段的数量却高达它们的10倍。对此，艾云灿教授的看法是，从生物学上来看，差异如此大的这些片段不太可能来自同一个基因组。

　　艾教授说：“爱丁堡小组的论文分析更充分，结论更合理，而北卡小组的论文存在技术熟练度不够的问题。比如，怎样区别和排除水熊虫样品中污染了的细菌，或者是水熊虫捕食了海藻真菌、感染了病毒等，这些都没有明确交待。在数据分析和验证阶段，实验设计也欠严谨，在6600多个可疑目标序列中，只选取其中107个可疑目标序列做初步分析，还仅仅做PCR扩增获得片段，却没有做进一步序列测定分析和验证。” 他指出，出现这种不严谨的情况，不排除由于过度竞争所导致的急于求成压力，进而造成科学质量问题，这也是科学工作者们在今后工作中应当引以为戒的方面。

　　虽然北卡与爱丁堡之争尚未有定论，但无论如何，水熊虫极强的生存能力跟它的基因多样性存在必然关联。也许未来的某一天，当科技发展到可以清楚破解水熊虫“生存密码”时，人类就能够借鉴其原理，在疫苗保持长久活性和人体冷冻复苏各方面进行开发应用。

在西伯利亚东北部的科雷马河沿岸，冰封地下约40米的永久冻土中埋藏着一个跨越4.6万年的生命奇迹——一群微小的线虫在漫长岁月中沉睡，但当科研人员将它们带回实验室，缓缓解冻后，它们竟重新蠕动、进食，甚至繁殖后代。对于科学界而言，这不仅是一项突破，更是一次对生命极限的重新定义。
经放射性碳定年测算，这些线虫栖息的冻土层自晚更新世起便未曾解冻，环境极端而稳定。科研团队将这种新物种命名为“科雷马泛线虫”，它们依靠一种名为“隐生”的奇特生存策略，在极寒与干旱中将代谢降至近乎为零的状态，像是按下了“暂停键”，借此穿越漫长时光，等待适宜的复苏时机。
事实上，在微观世界中，能“暂停生命”的并非只有线虫，水熊虫、轮虫等生物也能通过隐生机制渡过极端环境。但此前，科学界已知的线虫最长休眠纪录仅数十年，如今科雷马泛线虫直接将这个数字放大了一千倍以上，再次刷新多细胞生物的生存极限。
研究团队通过全基因组测序，发现这种古老线虫与现代实验常用的秀丽隐杆线虫虽亲缘较远，却共享一套近似的分子“生存工具箱”。其中“海藻糖合成基因”尤为关键——这种糖可在细胞内形成保护膜，防止冰晶刺破细胞结构；配合能量代谢调控基因的参与，使得线虫在休眠中能够高效利用脂肪储备，为“复活”积蓄能量。实验表明，若提前经过轻微干燥适应，两种线虫在零下80摄氏度的环境下的存活率显著提升，秀丽隐杆线虫的滞育幼体甚至在极寒中度过480天后仍能繁殖。
更令人惊讶的是，科雷马泛线虫是三倍体生物，拥有孤雌生殖能力，单个个体即可繁衍新群体。这种“自我延续”的特征极可能是其在极端环境下长久生存的重要保障。
当然，这一发现也引起了部分学者的质疑。由于定年依据来自地层中植物碎片，科研界讨论的焦点在于：线虫本身是否与地层形成同步？研究团队回应称，采样和分析过程均在严格无菌条件下进行，并有多重独立证据互相印证。目前主流观点认为，从生理机制上，隐生状态确实足以让生命跨越数万年。