适应微重力的生命演化

凯斯·库珀+梁炳鑫

生命能够克服多种极端环境来保证生存，甚至进行繁衍，这其中就包括高浓度盐池，以及热液喷口的高温环境。最新研究显示，生命同样可以适应太空中的微重力环境。

休斯敦大学的研究者使用两株几乎完全相同的非病原性大肠杆菌来进行实验。大肠杆菌属于动物肠道的常见细菌。实验人员让培养瓶中的大肠杆菌菌株NCM520在正常地球重力条件下生长，另一菌株MG1655则被放置在从约翰逊航天中心租借来的特殊仪器中，该仪器可以模拟微重力环境。这台仪器配备有旋转生物反应器（HARV），该反应器尺寸很小，可以放在手掌上，并且以低转速在仪器侧面旋转，因此流体介质中的微生物会在自由落体状态中生长。

在HARV中繁殖了1000个世代之后，大肠杆菌菌株MG1655的生长以3∶1的比率超越了在正常重力下生长的对照组菌株NCM520，传代培养长度超过了以往任何使用细菌的研究。

休斯敦大学微生物学家、研究项目带头人马丹·蒂努马莱说：“在地球上模拟微重力环境以进行研究，对深入了解微生物在太空中的生存图景至关重要。”

蒂努马莱的研究团队想要知道这种对微重力的适应发生在遗传层面还是生理层面。打个比方，严寒地带的人迁居赤道，他们会怎样适应温度变化？如果他们回到原来居住的地方，这种适应性会丢失吗？如果适应性丢失，就说明变化来自生理层面，而非遗传层面。

研究人员发现，72%的MG1655发生的适应性变化在回到正常重力环境之后得到保留，并且在之后的10代至20代传代培养中没有丢失。研究人员据此推断，虽然一部分变化来自生理层面，但回到地球重力环境后保留下来的变异来自遗传层面，这种变异使适应微重力环境的菌株与普通菌株相比具有了优势。进一步研究发现，MG1655中的16个基因发生了变异，其中包括5个与形成菌膜相关的基因，即surA、fimH、trkH、fhuA 和ygfK基因。菌膜是层状的相互连接的细胞群，使养分能够在细胞之间更好地分配，并有助于附着在固体表面。菌膜形成率提高对于细菌存活具有益处，并且作为一种微重力适应性，似乎还能够提升细菌在太空环境中的表面附着能力。

蒂努马莱的研究对细菌在国际空间站内的生存繁衍具有启示作用，其他研究人员可以进一步对细菌在其他地外环境中生存的可能性展开研究，例如类行星、彗星以及小型卫星。

“把微生物放在任何一种极端条件下，或者一种新环境中，过一段时间，它就会开始产生某种方向的变异，帮助它获得生长优势，以保证存活。”蒂努马莱说。

得克萨斯州立大学的微生物学家罗伯特·麦克莱恩并没有参与这项研究。不过他认为，该研究成果代表了一种“实验进化”：微生物菌株被施加环境压力，在实验环境的操纵下产生进化。

“从我的角度来看，这项研究的意义在于在暴露于微重力环境下的大肠杆菌菌株中发现了之前未知的变异，”麦克莱恩说，“这些变异是长期性的，可以通过进化实验进行检测。”

健康风险

菌膜的生长和微生物致病性之间也存在潜在联系。虽然这项研究中使用的大肠杆菌菌株是非致病性的，但是在致病性菌株中，菌膜形成的相关基因和致病性相关基因紧密关联，其中一组基因的变异会引发另一组基因变化。

“致病基因可能会发生选择性变异，导致该菌株的毒性更强。”蒂努马莱说。

另一个相关证据来自鼠傷寒沙门菌。维拉诺瓦大学遗传学家詹姆斯·威尔逊主持的实验研究表明，暴露在微重力环境下之后，鼠伤寒沙门菌的致病性会增强。

“菌膜形成无论对微生物的繁殖还是致病性来说，都至关重要。”蒂努马莱说。

除了天体生物学方面的启示外，这项研究还揭示了宇航员在空间站或者外太空旅行时面临的问题。菌膜会污染水循环系统，而其增强的致病性也会给宇航员带来健康隐患。然而，大肠杆菌和沙门氏菌在真实的太空环境中是否会产生这些作用，微重力是否真的会对细菌产生此类影响，仍是一个尚待确证的问题。

“其他菌株和生物体可能会产生完全不同的行为。”麦克莱恩提示说。

在太空中存活

假设其他细菌在微重力环境中的行为确实与大肠杆菌相类似，这对天体生物学来说具有潜在的重大影响。有生源说认为生物材料可以在星体之间通过小行星和天体碎片进行传播，这就要求微生物能够长时间在太空中存活。天体发生撞击之后，生命有可能由携带微生物的岩石碎块送上太空。这样一来，地球上的生命可能曾经到达过火星；反过来也一样，地球上的生命也可能来自火星，这些情况都是可能的。麦克莱恩认为，生命要想在这一旅途中存活，必须首先承受将它们抛向太空的初次撞击的热量和能量影响，接下来是星际空间的极端环境条件，最后还要经受进入其他星球大气层和着陆时的热量和能量的影响。

麦克莱恩指出，他的研究显示，微生物可以经受住再次进入大气层和着陆时带来的冲击。他的研究团队在2003年进行了一项有关菌膜在太空中形成的微生物实验研究，该实验搭载“哥伦比亚”号航天飞机进入太空，那是“哥伦比亚”号的最后一次飞行。虽然航天飞机在返航途中不幸解体，但搭载的实验菌体却奇迹般地存活了下来。然而目前还不知道，菌膜形成率的提高是否会增强微生物在外太空环境中存活的可能性。

“我并不知道菌膜生长是不是会产生影响，”麦克莱恩说，“但我对进行这样的实验很感兴趣。”

利用HARV反应器，将来研究人员还可以在地面上进一步实验。然而蒂努马莱认为，想要确证细菌在太空中真的会产生与地面实验类似的行为，就必须在轨道空间内进行实验。

“目前，在国际空间站内进行这些实验，观察微生物如何响应真实的太空环境，是非常重要的。”蒂努马莱说。

鉴于在空间站上安排这些实验的难度以及经费问题，蒂努马莱承认，短期内这还只是一个梦想。