失去身体96%的水，数十年后复活，地表最强生物“长寿”的秘密揭开
红棕色的水熊虫暴露在紫外线下会变成蓝色。图片来源：SUMA ET AL., (2020)
地表最强生物水熊虫有一种特殊的生存状态，它能通过将身体水分降到3%后，进入休眠状态，并由此来跨越时间，当环境条件变好时，能复活并继续生存。而这背后的秘密最近也得以揭开。
撰文｜
审校｜二七
18世纪70年代的某一天，意大利生物学家 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》（ di e ）一书中，他将其命名为“缓步动物”（）。
无独有偶，在发现缓步动物的数年前，德国动物学家 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”（ är）。
水熊虫扫描电镜图像（图片来源： E, U, Hotz- A, MA, S, et al. (2012)）
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”
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（）。
挪威奥斯陆大学的博士后研究员James 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 的研究中揭示，水熊虫的DNA看上去十分正常。
水熊虫 的DNA中基因来源占比（图片来源于论文）
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 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。
水熊虫中耐受力非常强的 （图片a）,缺水后的状态（图片b）（图片来源于论文）
他的研究团队关注的是水熊虫中耐受力非常强的 。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 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。
等人研究了水熊虫 ，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（）中。在他们研究的水熊虫体内，主要存在3种CAHS蛋白，分别是、CAHS3和CAHS8。
热融性蛋白CAHS3在20%的TFE溶液（三氟乙醇）中浸泡后，会在被迫脱水的刺激下形成丝状结构。图片来源于论文
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）。
热融性蛋白CAHS3能形成保水性很高的胶状结构，右图为其在空气中经历11分钟后的状态（图片来源于论文）
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（ ）和一种盐水虾等。文章的通讯作者说，“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。”
兴趣是最好的老师，至少和的经历告诉我们正是如此。
参考链接：
论文链接：