水熊：死而复生

2015-09-10 11:41刘汝

大自然探索 2015年12期

刘汝

1933年，美国纽约市一间无证酒吧的老板及其3名狐朋狗友开始实施一个毫无新意的骗钱计划：杀死该酒吧最有名的醉鬼迈克·马罗伊，把他伪装成意外身亡，由此获取他的人寿保险金2000美元。首先，他们给马罗伊灌了大量白酒。发现这没用，他们又给他灌了大量酒精度很高的酒，但这也没用。然后，他们把夹着腐臭沙丁鱼、玻璃渣和金属碎屑的三明治喂给马罗伊吃，据说后者很喜欢这样的“美味”。接着，他们把马罗伊扔到雪地上，并向他泼冷水。可这吓不倒马罗伊。他们又用一辆汽车撞他，但只撞断了他的一只手臂。最后，他们通过口腔、喉管向他体内插入一根管子，灌注了大量一氧化碳。马罗伊终于“意外”身亡，这帮恶棍暂时如愿以偿，但最终落入法网。

之所以讲这个小故事，是因为本文的“主角”比媒体所称的“不死的马罗伊”还要坚挺得多。

如果人不加保护地进入太空，人肯定会死。由于太空几乎是真空，因此太空中几乎不存在压力，这会迫使你肺部的空气冲出。溶解在你体液中的气体会膨胀，这会让你的皮肤像气球一样鼓胀，最终爆裂。你的耳膜和毛细血管将会裂开，血液开始冒泡沸腾。就算你能活下来，太空中的离子化辐射也会撕裂你细胞里的DNA，你会在15秒的时间里失去意识。

但是有一群动物却可能经得起如此这般的严峻考验：它们就是体长大约1毫米的缓步类动物。2007年，上万只缓步类动物被放在人造卫星上发射进太空，并且被暴露于太空环境中。在这颗人造卫星返回地球后，科学家检验了这些动物，发现它们当中有许多都活下来了，其中一些雌性甚至在太空中产卵，新孵化的动物都很健康。

缓步类动物能存活其中的严苛环境可不仅仅只是太空，在地球上最严酷的环境中它们照样活得很好。在喜马拉雅山脉一座海拔5546米的山顶上，在日本温泉中，在海洋底部，以及在南极洲，都发现了缓步类动物。不管是面对超高剂量的辐射，还是被加热到150℃，或者是被冻至接近绝对零度（物理学术语，约为-273.15℃），都奈何不了缓步类动物。那么，这些看似毫不起眼的微小动物为何得以存活于各种极端环境？它们又为何会演化出这样的超能力？实际上，它们在超能力方面的“秘笈”岂止一种，而大多数生物在这方面都自愧不如。

一眼看上去，缓步类动物长得有些吓人。它们的圆胖面孔上有肉褶，这样丑恶的样子也许会让一些人想起魔鬼。它们有8条腿，腿脚上有凶猛的爪子，在显微镜下颇像是熊爪。它们的嘴巴也是一种很有用的武器，嘴里的匕首状牙齿能刺穿猎物。

当然，你根本无需惧怕缓步类动物。毕竟它们是最小的动物之一。它们的体长很少超过1.5毫米，只有透过显微镜你才能看见它们。它们的通俗名字是“水熊”。目前已知的水熊种类大约为1000个。大多数水熊吸食苔藓、地衣和藻类的汁水，其他水熊则是食肉动物，甚至会捕食别的水熊。

水熊是很古老的物种。根据对化石的鉴定结果，在5亿年前的寒武纪就有水熊，当时首批复杂动物开始演化。自从水熊被科学家发现以来，他们一直很清楚的一点是：水熊是非常特别的动物。1773年，德国牧师约翰·奥古斯特·以法莲·戈泽在全球最先发现水熊。3年后，意大利牧师兼科学家拉萨罗·斯帕兰扎尼发现水熊有超能力。他向取自雨水槽的沉积物样本加水，并且在显微镜下观察样本，发现上千只外形像熊的小动物在水中游弋。他在自己的一本专著中把这种动物命名为“漫步者”，原因是它们的游动速度相当缓慢。

事实上，这样的观测结果并非是首次获得。早在1702年，荷兰科学家安顿·范·列文虎克致信英国皇家学会，信的标题是《论屋顶排水槽沉积物中的一些微生物》。据列文虎克在文中的描述，他向这些看起来了无生命的沉积物中加水。利用他自行研发的显微镜，他发现1小时之内小“动物”就变得活跃起来，开始游弋和到处爬。这些动物其实是轮虫，它们是看上去脑袋上有轮子的水生动物。哪怕缺水几个月，它们也死不了。但与没水却照样能活几十年的水熊相比，轮虫就是小巫见大巫了。

意大利动物学家蒂娜·弗朗切斯奇1948年声称，在博物馆收藏、历史超过120年的苔藓样本中发现了能复苏的水熊。在为一只水熊浇水后，她观察到它的一条前腿动起来了。这一发现从未被复制过，但并不意味着它就不可能。1995年，科学家让多只脱水8年、看来已死翘翘的水熊成功复苏。

对大多数动物来说，没有水的生活是完全不可能的。当一个典型的细胞脱水后，细胞膜会破裂和发生“渗漏”，细胞里的蛋白质会展开和聚集，从而变得无用。随着细胞脱水时间越来越长，DNA也会碎裂。然而，水熊却能避免这样的后果。既然水熊不怕脱水，它们就必定有一些诀窍来阻止或修复脱水所造成的细胞损伤（对人来说，这样的损伤会造成细胞死亡）。它们是怎样做到这一点的呢？1922年，德国科学家H·鲍曼在这方面取得了一个重要发现。他注意到，当一只水熊脱水时，它会把自己的脑袋和8条腿都缩回去，接着，它进入一种很像死亡的深度假死状态。在失去体内的几乎所有水分后，水熊会把自己卷成一个干壳。鲍曼把它称为“吞佛”，但现在它普遍被称为“吞”。“吞”的代谢速度降为正常状态下的0.01%，它能保持这种状态长达几十年。只要与水接触，“吞”就会复苏成正常的水熊。

除了水熊之外，一些线虫、酵母和细菌也能战胜脱水。它们做到这一点，是通过大量制造一种糖——海藻糖。这种糖在它们的细胞内形成一种类似于玻璃的状态。这一状态能稳定蛋白质和细胞膜等重要组件，使它们不会被摧毁。海藻糖还会包裹所有剩余的水分子，阻止它们在温度提高的情况下迅速膨胀。迅速膨胀的水分子具有危险性，因为它们会造成细胞破裂，而这是致命的。

你可能会以为，水熊也采用这种策略来挺过脱水，但你只猜对了一部分——有些种类的水熊的确是这么干的。然而，还有一些水熊看来并不产生海藻糖，或者说产生的海藻糖水平低得无法被探测到。这暗示这些水熊或许另有独特的策略来对抗脱水。科学家已经知道，随着水熊开始脱水，它们制造能让它们挺过哪怕是彻底失水的蛋白质。但这些蛋白质究竟是怎样的保护剂，则依然是未解之谜。当水熊开始变干时，它们看来会制造大量抗氧化剂。这些诸如维生素C和维生素E之类的化学物质能吸收危险的活性化合物，这样一来，可能就清除了水熊细胞里的有害化合物。

水熊面临来自“氧自由基”的一种特殊威胁。面对环境压力，动物体内会生成大量氧自由基。这些物质是正常细胞功能的副产物，但它们可能分解细胞的主要构件，包括DNA。抗氧化物或许能解释水熊最独特的能力之一：如果长时间待在脱水的“吞”状态下，水熊的DNA就会受损;但一旦苏醒，水熊则能迅速修复这一损伤。科学家很清楚的是，“吞”状态是水熊应对脱水的能力的关键所在。不过，在鲍曼发现“吞”状态之前很早，水熊的其他超能力就已被揭示。

首先，水熊看来根本不在乎温度高低。法国科学家多耶尔1842年证明：处于“吞”状态的水熊，在被加热到125℃的情况下依然能活好几分钟。20世纪20年代，一个名叫吉尔伯特·弗兰兹·拉姆的德国修士让在151℃条件下被加热15分钟的水熊复苏了。拉姆还把水熊泡在-200℃的液态空气里长达21个月，泡在-253℃的液氮中达26小时，泡在-272℃的液氦中达8小时。之后，一旦水熊恢复与水接触，它们立即复苏。

科学家现已查明，一些水熊能忍耐只比绝对零度高一点点的-272.8℃。需要指出的是，地球上记录到的最低温是-89.2℃，它出现在1983年的南极洲。而水熊能应付的最低温比这还要低得多，这样的超低温只有在实验室里才能创制。在如此低温下，就连原子钟也几乎停摆。

水熊面对寒冷的最大威胁是冰。如果水熊细胞内形成冰晶，它们就可能划破像DNA这样的重要分子。包括某些鱼在内的一些动物，使用抗冻蛋白来降低自身细胞的结冰点，从而确保不形成冰。但水熊体内并未发现这些蛋白质。反而，看来水熊实际上能忍受在自己的细胞内形成冰。它们要么能保护自己免遭冰晶损伤，要么能修复这类损伤。水熊也许能产生被称为成核剂的化学物质。成核剂促使冰晶在水熊细胞外而非细胞内形成，从而保护重要分子。能制造海藻糖的水熊很可能借助海藻糖来保护自己，因为海藻糖能阻止大冰晶形成，而大冰晶会穿破细胞膜。

不过，虽然科学家对于水熊怎样应对寒冷已有初步答案，却对它们怎样对付高热一无所知。在像150℃这样的高温下，蛋白质和细胞膜都应该会散开，而维持生命的化学反应也停止发生。已知最耐热的生物是细菌，它们存活于深海热液喷口边缘附近，在122℃的条件下仍能生长。如果拉姆对自己实验结果的描述无误，水熊就有可能在更高的温度下存活。

许多演化得能在高温地（例如温泉及灼热沙漠）栖息的动物，都能产生被称为热震蛋白的化学物质。热震蛋白在细胞内充当蛋白质的保护神，帮助蛋白质保持成型。热震蛋白还能修复被热量损伤的蛋白质。尽管如此，却无确凿证据表明水熊能产生热震蛋白。考虑到水熊能忍受的其他恶劣条件，水熊超能力之谜越发难解。

1964年，科学家用致命剂量的X射线照射水熊，结果它们活下来了。后来的实验证明，水熊还能应对过高剂量的α、γ和紫外辐射，甚至就算它们不在“吞”状态时也一样。当水熊2007年被发射到太空时，辐射是它们面对的最大威胁之一。虽然暴露在高剂量辐射中的水熊比受到辐射防护的水熊表现差，但前者的死亡率并不是100%。

根据1998年的一项科学研究，哪怕能把大多数动物压扁的极度高压也奈何不了水熊。科学家发现，处于“吞”状态的水熊能挺住600兆帕的压力。自然界不存在这么大的压力。地球海洋最深处是位于太平洋马里亚纳海沟的挑战者海渊，那里深达1万米以上，但那里的水压也才只有100兆帕左右。也就是说，水熊能忍耐的超高压是那里的6倍。在如此高压下，蛋白质和DNA都会被撕裂。主要由脂肪组成的细胞膜，会变得就像在冰箱里坚硬的黄油。大多数微生物在30兆帕压强下就会停止代谢。300兆帕压强以上，就连细菌也活不了。

一些水熊能忍耐只比绝对零度高一点点的-272.8℃

水熊能幸存的压力因子种类之多，几乎让人目眩。但其中的解释可能惊人地简单。极热、极冷、辐射和高压都有一个共同点：它们会损伤DNA及水熊细胞的其他重要组件。热和冷都会造成蛋白质展开、粘到一起和停止运作。辐射会撕裂DNA及其他重要分子。高压会让细胞膜变硬。所以，如果一切压力因子造成类似的问题，那么水熊或许只需为数不多的策略就能搞定它们。真的如此吗？目前仍无肯定的答案。

科学家相信，为了应对一些极端状况，水熊可能需要运用不止一种策略。例如，被烤干和被辐射都会损害水熊的DNA。因此，水熊以一种类似方式——制造抗氧化剂和修复受损DNA——应对这两种状况是说得过去的。如果的确如此，水熊对辐射的抵御就是一种愉快的偶然：是它们适应突发干旱的一种附带结果。与此相似，冰冻水熊与让它脱水也会引起相同问题：水熊细胞里缺乏足够水分。够奇怪的是，水熊最著名的策略——“吞”状态也是最不通用的策略。即便不形成“吞”，水熊依然能挺住冰冻、辐射和缺氧条件。如此看来，“吞”状态也许是一种特定的适应，是为了应对（或者说减缓）失水。然而，“吞”状态也使得水熊能挺住极端压力。

水熊已经在地球上生活了5亿年，它们遍及全球。

水熊只使用一两种存活策略这种思路，也可能有助于解释有关水熊的另一个大问题：它们为什么要这么麻烦呢？与生活在温泉和其他极端状况下的细菌不同，大多数水熊的栖息地相对平凡无奇。水熊一般生活在水里或靠近水源的地方，水熊的食物一般都不过是一小块苔藓和地衣，况且水熊的生活也乏善可陈：尽管与水熊大小相仿的大多数动物都忙碌过活，水熊却始终慢吞吞的。

然而，虽然水熊的生活方式很沉闷，它们却演化得能对付在地球上不存在的极端环境。需要指出，只有一部分水熊才具有这样的才能。水熊的最原始、最古老族群——趾缓步亚目并不能挺住极端条件，也不能暂停代谢。正是它们的脆弱，为揭示其他水熊为何会如此坚韧提供了一个线索。趾缓步亚目只生活在海洋中。只有陆生和淡水水熊才拥有极端求生技巧。这暗示离开海洋是关键。海洋水熊不擅长极端生存原因之一，是它们根本就不需要这样做。海洋很大，海洋水熊既不会经历水温或盐度的迅速变化，也不会一夜之间脱水。与此不同，陆地环境危险而多变。水熊需要身体周围有薄层的水来呼吸、进食、交配和移动。而在陆地上的许多地方，干旱都是一个风险。因此，生活在这些地方的水熊就必须能应对环境突变。于是，陆生水熊演化出应对突然脱水的策略就说得过去——这关乎生死。此外，一旦有了这样的策略，陆生水熊就能开发新的栖息地。今天，哪怕是在其他动物都无法生存的地球上一些最干旱之地，也发现了水熊。

但这种思路又引出另一个问题。如果说能挺住极度缺水对于陆生动物来说如此有用，那么为什么不是所有动物都这么做呢？为什么青蛙、蚯蚓和人类不演化出同样的能力呢？与此相似，为什么其他动物忍受不了水熊所能忍受的那般高热、酷寒和辐射？或许问题并不是为什么水熊会如此坚强，而是其他动物为什么会如此脆弱。科学家指出，更多的动植物之所以没有演化出像水熊那样的超能力，可能有多方面的原因。许多动物无需具备这样的超能力。它们要么并不生活在可能立即失水的环境中，要么演化出了避免失水的方式，比如骆驼。

但除此之外，水熊肯定也为自己的超能力付出了其他动物无需付出的高昂代价。尤其是，进入“吞”状态是一个风险很大的决策。当水熊完全失水，它就变得不活动，也就无法主动避开环境中的多重危机。一只不动的水熊或许不会死于口渴，但却可能会被吃掉。科学家发现，许多能忍耐脱水的生物体不得不制造多种分子，目的是防止处于不活动状态的自己被细菌和真菌吞噬。所以，变得像水熊那样坚韧对其他动物来说可能得不偿失。不过，对水熊来说，坚韧的好处很大：水熊已经在地球上生活了5亿年，它们遍及全球。

水熊趣味多多

隐身现象水熊的坚韧生存策略——让自身代谢过程几乎停滞，被科学家称为“隐身现象”或“潜生现象”。在这种状态下，水熊可失水至正常情况下的3%，水熊因此变成了此前自身的外壳（或者说一张皮）而已。

最坚韧动物科学家认为，水熊可能是自然界中已知最坚韧的动物。人们一般都相信蟑螂的生存本领最强，但科学家指出，与水熊相比，蟑螂的不怕死根本算不了什么。

有头脑别看水熊这么袖珍，它却有脑，尽管是相对简单的脑。更令人称奇的是，哪怕水熊被强冻到体内原子几乎停摆的地步，但只要等到复苏机会降临，水熊的脑依然毫发无损。

不怕真空在一次实验中，水熊暴露在太空真空中长达10天，却依然存活。与之相比，人在太空真空中最多只能活几分钟。1965年，美国宇航局一名宇航员的加压宇航服在一个真空舱中意外减压，导致他在15秒后失去意识。他苏醒后说，当时他感觉自己舌头上的口水在沸腾，好像跳跳糖在乱蹦乱跳。有趣的是，实验表明地衣和生菜也能抵御太空环境的侵害，莫非是水熊所吃的地衣赋予了水熊超能力？

有麻烦陆生水熊偏爱遍布全球的尘土。既然以尘土为家，就总是免不了脱水的危险。例如，当太阳晒干尘土表面，一种选择是钻进土里。但如果钻得太深，就可能找不到吃的。因此，水熊只能生活在这样一种“边缘地带”：在这里既能够获得食物，但又总是避不开脱水的风险。

难养殖却作用大颇具讽刺意义的是，虽然水熊生命力很强，但在实验室中它们却很难存活。不过，有人已经掌握了水熊养殖技术，并且向科研和教育机构提供水熊样本。一些科学家正在探索把水熊作为科学的另一种“果蝇”的可能性。作为一种无处不在的实验对象，果蝇帮助科学家取得了许许多多的重大发现。水熊的微型个头意味着可以把它们大量运进实验室，再加上它们的繁殖速度很快，基因组又相对完整而易于研究，这样一来，水熊就有可能大大推进科学探索。更何况，水熊比果蝇“乖”得多，而且它们不会像果蝇那样可能掉进水杯里，或者叮咬你的食物。此外，科学家还在研究水熊怎样在室温下挺住干燥，目的是把水熊的“魔法”用于疫苗。疫苗的冷冻运输和保存过程要耗费高昂的成本，而一旦水熊教会我们怎样在室温下保存疫苗，运输和保存成本就会大大降低。还有科学家希望，水熊的冷冻复苏能力能启发和推进人体冷冻学。所谓人体冷冻学，是指在绝症患者刚离世时，用液氮长时间冷冻保存他们的遗体，若干年后，等医学能治愈绝症时，让遗体复活。

小而全一些种类的水熊在生长过程中保持相同数量的细胞。水熊有超过1000个细胞。水熊身体几乎透明。虽然水熊很小，但如果光线适合，你实际上仅凭裸眼就能看见它们。科学家发现，小小水熊的身体结构与较大动物的类似，包括完整的消化道和消化系统。水熊的“嘴巴”——口针以及有吸食能力的咽部通向食道、胃、肠道和肛门。水熊有发达的肌肉，但只有一条性腺。在一对腹部神经系统的上方，是水熊的脑。水熊的体腔是一个开放的血腔，它与水熊的每个细胞相连，让水熊实现有效的营养和气体交换，而无需循环或呼吸系统。

独特进化枝地球上的生物被划分成两大类：原核生物和真核生物。真核生物又分为真核原生生物界、植物界、真菌界和动物界。缓步动物门是36个动物门之一，这使得水熊成为进化树上的一个重要而独特的进化枝。

蜕皮水熊被包裹在一个由角质层（表皮）构成的壳中。水熊在生长过程中会蜕皮。因此，水熊被列入蜕皮动物总门，介于线虫和节肢动物（也会蜕皮）之间。

两个纲水熊分真缓步纲和异缓步纲。真缓步纲水熊的角质层是裸露或光滑的，没有鳞甲，而异缓步纲水熊的角质层上都有鳞甲。

无处不在从北极到赤道，从潮间带到深海，甚至在森林冠层顶部，都发现了水熊。那么，水熊是怎样“飞”到树冠上的呢？最大的可能是风把它们带到了那里。处于“吞”状态的水熊与尘埃颗粒难以区分，但就像孢子、花粉和种子一样，“吞”对自己的降落地点也有偏好。许多微观环境对新近到达的水熊来说是不适合生存的，但不幸降临这里的“吞”只需静候降雨量变化或季节转换。一旦条件改善，水熊就重新变得生龙活虎。

单性生殖陆生水熊之所以会成为成功的旅行者，原因之一是依赖苔藓、地衣和落叶生活的许多水熊都单性生殖，即无需交配就能产卵。一些水熊为雌雄同体，能自我受精。不管是一只活跃的水熊还是一个“吞”或一个水熊卵，一旦被疾风推送到某个地方，只要条件合适，它都可能建立起一个大大的种群。

差点变成“外星人” 俄罗斯的一艘飞船曾打算把水熊送往火星卫星福波斯（火卫一），但飞船发射失败。甚至有人提出，水熊原本就有可能起源于外星，然后由彗星等天体带到地球。但一些科学家并不认同这一异想天开的猜测，因为就算水熊真的起源于外星，它们搭载流星来到地球时，在穿越地球大气层的过程中也很难活下来。实验证明，由于流星与地球大气层摩擦所产生的高温高压，位于流星上层（哪怕位于流星表面下2米深度）的一切生物都不可能活下来。但是，如果来自外星的水熊当时隐藏在流星内部很深的缝隙中，又会怎样呢？这个问题依然没有答案。

怎样找到和饲养水熊？