水熊虫 (water bears) 是隶属缓步动物门 (tardigrades) 的一类微型水生动物,体长通常小于 1 公厘,拥有四对足,足末带有爪子或吸盘。目前已知有超过 1,000 种的水熊虫分布在不同的栖息地,包括海洋、淡水、或是陆地。水熊虫能抵御大部分生物都无法承受的恶劣环境,包含极端温度 (从 –274°C~100°C)、高压 (地面大气压力的 75,000 倍)、完全脱水状态、浸没于有机溶剂、暴露于高剂量的放射线、甚至在外太空,牠们都能存活!在 2007 年,瑞典的研究团队与欧洲太空总署合作,将两种不同品种的水熊虫夹带上卫星,测试真空且充满太阳辐射及宇宙射线的外太空对水熊虫的影响。这次的试验样本共分为三组:第一组只暴露于真空及宇宙射线;第二组 暴露于真空、宇宙射线及 UV-A、UV-B 紫外线 (UVA,B, 280–400 nm);第三组暴露于真空、宇宙射线及全光谱的紫外线 (UVALL, 116.5–400 nm)。水熊虫于十天后重返地球,结果发现未暴露于紫外线的水熊虫存活情形良好,不过暴露于紫外线的水熊虫存活率就明显降低,尤其是接受全光谱紫外线的组别;即使如此,仍有几只水熊虫幸存,显见其强韧生命力 [注1]!

冷冻三十年又复活的水熊虫

近年来,水熊虫的其他著名事蹟尚包括日本极地研究团队在 2014 年时从冰冻的苔癣样本中解冻了两只水熊虫及一颗虫卵,牠们在 1983 年从南极取得并存放于 –20°C 长达 30.5 年。研究人员提供水熊虫适当水份并将牠们移居至温暖且营养丰沛的培养皿,结果水熊虫竟然复苏了! 其中一只水熊虫在第一天即能开始轻微移动四对足,在两周后已完全恢复运动能力,可爬行、进食甚至产卵 (产下 19 颗卵,其中 14 颗成功孵化);不过另一只水熊虫在解冻 20 天后死亡。此外,解冻的水熊虫卵竟也顺利孵化出水熊虫,这只水熊虫更没有明显异常,甚至具有生育能力 [注 2]。

果然是种难以捉摸的生物

尽管水熊虫这非比寻常的适应力早已让学界为之疯狂,但是背后的分子机制迟迟无法解开,而水熊虫的基因体也一直存有争议。在 2015 年,美国北卡罗来纳大学的研究团队首度发表水熊虫的全基因体定序结果,认为水熊虫的 DNA 有高达 17.5% 是经水平基因转移 (horizontal gene transfer, HGT) 而从其他物种身上获得。研究团队因此推测水熊虫之所以能承受极端环境压力的原因,可能是因为具有容易取得其他物种优势基因的能力 [注 3]。不过这项假说随后遭到苏格兰爱丁堡大学的研究团队反驳,他们认为北卡罗来纳大学提出水熊虫有大量外来基因的论点有误,事实上那些基因是源于细菌或其他污染在定序前未被移除,因而产生的人为错误 [注 4]。最近日本东京大学的研究团队也发现水熊虫的外来基因比例仅约 1.2% [注 5],为爱丁堡大学的论述提供佐证。

水熊虫艺术作品。

水熊虫艺术作品。

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揭开水熊虫的超能力基因

东京大学的研究团队利用水熊虫家族中最顽强的品种 — Ramazzottius variornatus,进行基因定序分析。结果发现水熊虫的抗压相关基因比其它多细胞动物种类更为丰富,而且拷贝数 (copy number) 较多。研究人员更在水熊虫身上找到 16 种 不同的超氧化物歧化酶 (superoxide dismutases, SODs),且发现水熊虫带有4个拷贝数的 MRE11 (大部分的多细胞动物身上仅能找到 10 种以下的 SODs,且只有 1 个MRE11) [注 5]。SODs 为重要的抗氧化酵素系统,是超氧自由基的解毒酶,能保护细胞免于氧化的伤害,且有助于耐受干燥脱水的环境 [注 6];而 MRE11 则对 DNA 双股螺旋断裂的修复占有重要角色 [注 7]。研究团队亦发现水熊虫在脱水及复水的过程之间不会有很大的基因表现差异,因此推测具保护性的蛋白质可能会持续表现。研究人员也注意到水熊虫会大量表现其他动物缺乏的一些独特蛋白质,包括CAHS和SAHS[注5] 耐热性蛋白,在干燥缺水的环境可扮演重要保护效果 [注 8, 9]。此外,本次东京大学的研究最引人瞩目的焦点,是水熊虫的一种独特蛋白质 Damage suppressor (Dsup);Dsup 可以结合并保护 DNA 免于 X 光的辐射伤害。研究团队进一步将这个蛋白质的基因转殖到人类的肾脏细胞,并对其照射 X 光,结果带有 Dsup 的肾脏细胞之 DNA 损害竟然较一般细胞少约 40%,且在接受辐射后有较佳的存活率 [注 5]。

水熊虫的无限潜力

随着水熊虫对抗极端环境的相关基因陆续被发现,若能将这些独特基因转殖到动、植物身上,想必会大大改变现今的农业与畜牧发展。目前美国有许多民间公司积极发展火星殖民计画,而若能成功利用水熊虫的基因提升动、植物对于干燥脱水环境的耐受力,或许有助于未来人类移民火星的生活。 水熊虫可爱的外表、尚未阐明的基因体、以及奇蹟似的抗性,确实有机会为人类社会带来颠覆性的改变,后续研究成果也令人拭目以待!

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参考文献:
1. Jönsson KI et al. Curr Biol 2008; 18:R729-R731.
2. Tsujimoto M et al. Cryobiology 2016; 72:78-81.
3. Boothby TC et al. Proc Natl Acad Sci U S A 2015; 112:15976-81.
4. Koutsovoulos G et al. Proc Natl Acad Sci U S A 2016; 113:5053-8.
5. Hashimoto T et al. Nat Commun 2016; 7:12808.
6. França MB et al. Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol 2007; 146:621-31.
7. Lamarche BJ et al. FEBS Lett 2010; 584:3682-95.
8. Yamaguchi A et al. PLoS One 2012; 7:e44209.
9. Tanaka S et al. PLoS One 2015; 10:e0118272.

图片来源:
http://kason2047.pixnet.net/blog/post/84990209-%E5%9C%B0%E7%90%83%E4%B8%8A%E7%94%9F%E5%91%BD%E5%8A%9B%E6%9C%80%E5%BC%B7%E7%9A%84%E4%B8%8D%E6%AD%BB%E7%94%9F%E7%89%A9

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