地球上真正的不死生物--水熊蟲

  水熊也稱水熊蟲（Water Bear），人稱小美，是對緩步動物門（Tardigrata）生物的俗稱，有記錄的約有900余種，其中許多種是世界性分布的。水熊體型極小，最小只有50微米，而最大的則有1.4毫米，必須用顯微鏡才能看清，身體表層覆蓋著一層水膜，用于避免身體干燥，同時(shí)可呼吸水膜中的氧氣。主要生活在淡水的沉渣、潮濕土壤以及苔蘚植物的水膜中，少數(shù)種類生活在海水的潮間帶。大部分靠尖銳的吸針吸食動植物細(xì)胞里的汁液為生，一小部分為食肉動物（Carnivore)。最大的特點(diǎn)是它從卵里生出來就已成年，無童年時(shí)期，身體里細(xì)胞的數(shù)量終生都不再改變。

  水熊是地球上已知生命力最強(qiáng)的生物，可以在沒有防護(hù)措施的條件下在外太空生存，在喜馬拉雅山脈（Himalaya mountains）（6000m 以上，曾在5546米處發(fā)現(xiàn)過）、溫泉、南極和深海（4000m 以下）都能生存。 

  2016年1月17日，據(jù)報(bào)道稱，日本國家極地研究所的科學(xué)家們成功復(fù)活了冰凍30年的緩步動物(俗稱“水熊蟲”)。這些緩步動物是1983年在南極洲（Antarctica）發(fā)現(xiàn)的。這項(xiàng)研究發(fā)表在近期出版的《低溫生物學(xué)》（Low temperature biology）雜志上。

  據(jù)報(bào)道，科學(xué)家們成功地將一個(gè)卵子和一個(gè)活體動物復(fù)活。兩星期后，這個(gè)活體動物開始移動并吃食。這個(gè)卵子又產(chǎn)了另外19個(gè)卵子（Egg），其中孵化成功的有14個(gè)卵子（Egg）。研究者稱，這些孵化出的新生幼仔并無缺陷和異常。

物種學(xué)史

   物種發(fā)現(xiàn)

“小水熊蟲”在1773年首次被一位名叫哥策的神父描述，但并不完整。1774年和1776年意大利人考廷和斯巴蘭扎尼發(fā)現(xiàn)，在缺水的環(huán)境下，緩步動物能夠不脫去保護(hù)外殼而“復(fù)活”。斯巴蘭扎尼并且指出，緩步動物要渡過缺水時(shí)期，就必須慢慢的失水。而緩步動物（Tardigrada）這個(gè)名字，也是斯巴蘭扎尼首次給出的。

 水熊蟲的化石讓我們知道，這一物種早在5億年前的寒武紀(jì)(Cambrian Period)就存在了。從它們被發(fā)現(xiàn)開始，人們對緩步動物在動物分類中的位置，形態(tài)學(xué)(morphology)，生活方式(life style)，組織學(xué)(Histology)以及其隱生性(Hidden nature)的研究興趣有增無減。

米勒研究

1785年米勒（O.F.Müller）對這種動物作了深入的觀察。他嘗試將緩步動物歸入動物演化樹中并且把它歸入壁虱屬(Tick species)。米勒所使用的學(xué)名Acarus ursellus被林奈(Linnaeus)寫到了他的《自然分類》中。1834年舒爾策發(fā)現(xiàn)了有名的Macrobiotus bufelandi。該名字來源于柏林醫(yī)生Hufeland，他著了一本有關(guān)長壽術(shù)（德語：Makrobiotik）的書叫《延年益壽之藝術(shù)》。相對于斯巴蘭扎尼的“復(fù)活”，舒爾策認(rèn)為緩步動物在缺水后再次接觸到水時(shí)，是“蘇醒”過來了。但他的看法并不是得到很多的認(rèn)同。他同時(shí)代的愛亨伯格則認(rèn)為，缺水時(shí)，緩步動物能分泌一種物質(zhì)，在里面緩步動物不但能度過困難時(shí)期，而且能繁衍后代。數(shù)年后“醒過來”的只是它的后代。更有人認(rèn)為那是一種自然發(fā)生（generatio spontanea）。

 對緩步動物形態(tài)，系統(tǒng)分類和生理研究有著最深遠(yuǎn)影響的貢獻(xiàn)當(dāng)屬法國人Doyères所寫的書《Mémoire sur les Tardigrades》（《對緩步動物的記憶》）（1840-1842年）。他強(qiáng)調(diào)了緩步動物在慢慢失水的環(huán)境中“復(fù)活”的能力。這和當(dāng)時(shí)另一種觀點(diǎn)相沖突，就是認(rèn)為，沒有任何預(yù)防措施可以阻止完全脫水的動物的死亡。1859年巴黎生物協(xié)會（Paris Biological Association）最終通過一份超過100頁的鑒定形成定論，就是Doyères的意見是對的。新的問題是，在這種脫水環(huán)境中，緩步動物的新陳代謝究竟只是變慢了還是停止了。20世紀(jì)初，耶穌會神父吉爾伯特·弗蘭茲·拉門（Gilbert Franz Rahm）通過緩步動物還能度過低溫（絕對零度）-（Absolute zero）環(huán)境的現(xiàn)象認(rèn)為，新陳代謝是停止了。1922年鮑曼（Bauman）通過對脫水隱生的形態(tài)和生理方面的研究，再次捍衛(wèi)了這一觀點(diǎn)。

分類研究

  1851年杜雅爾丹（Dujardin）認(rèn)為緩步動物是一種原本生活在海洋里的生物，這是緩步動物的分類的第一步。1907-1909年Murray在不列顛-南極探險(xiǎn)中收集到多種緩步動物的樣本。使得緩步動物的種類在很短的時(shí)間內(nèi)上升到了25種。1928年圖靈（Turing）為緩步動物建立了一個(gè)新目。

  但緩步動物在動物界中的位置在Doyères的著作中并沒有被提及。1851年Dujardin根據(jù)它們具有和線蟲動物(Nematode animal)相似的咽，而認(rèn)為緩步動物是線蟲動物(Nematode animal)的近親。而1896年�？撕�1909年里希特斯(Richter J)則認(rèn)為它的近親應(yīng)該是節(jié)肢動物(Arthropod)。但大部分的專家卻認(rèn)為應(yīng)是節(jié)肢動物。1929年根據(jù)當(dāng)時(shí)組織學(xué)的證據(jù)人們將它劃為節(jié)肢動物下的綱。到了1953年，人們終于可以有技術(shù)基礎(chǔ)去測量緩步動物正常和隱生狀態(tài)下的氧氣消耗量。1968年科學(xué)家通過電子顯微鏡觀察到緩步動物的儲存細(xì)胞。1972年拉馬佐蒂的專著第二版出版，列舉了413種緩步動物。

  1974年借拉馬佐蒂（La Mazzotti）75大壽之際在意大利城市帕蘭扎（Pallanza）舉行了第一屆國際緩步動物論壇。

形態(tài)特征

緩步動物(Tardigrata)是多細(xì)胞動物(Multicellular animals)。它們非常細(xì)小，大部分不超過1毫米，最小的Echiniscus parvulus初生的時(shí)候只有50微米。而最大的Macrobiotus bufelandi則只達(dá)1.4毫米。通體透明，無色，黃色，棕色，深紅色或綠色。它們的顏色主要是它們的食物賦予的。它們食入含類胡蘿卜素(Carotenoid like)的食物，類胡蘿卜素可以在各器官沉積。

 它們由頭部，四個(gè)體節(jié)，被幾丁質(zhì)(chitin)構(gòu)成的角質(zhì)層(Cuticle)覆蓋。四對腳，末端有爪子，吸盤或腳趾。由長長的細(xì)胞組成的肌肉因應(yīng)體節(jié)而分布�？谇坝袃上蚯巴怀�，一個(gè)用于刺進(jìn)食物，另一個(gè)則是吸收工具。前腸有很多成對腺體，薄薄的食道連接中腸。在兩個(gè)目的水熊蟲中腸和末腸之間有馬氏管（Martensite tube），專司體內(nèi)的滲透壓（osmotic pressure）平衡。

神經(jīng)系統(tǒng)的構(gòu)成：咽上下神經(jīng)節(jié)（Upper and lower ganglion），其中咽下神經(jīng)節(jié)（Inferior pharyngeal ganglion）和腹部四個(gè)神經(jīng)節(jié)鏈?zhǔn)剑℅anglion Chain）相連。體腔中的細(xì)胞負(fù)責(zé)儲存。水熊蟲沒有循環(huán)系統(tǒng)（circulatory system）和呼吸系統(tǒng)（respiratory system）。

  緩步動物通常是雌雄異體（Male and female）。它們的性腺（gonad）是次體腔（Secondary cavity）（事實(shí)上，所有的節(jié)肢動物都是這樣）的殘留物，是不成對的囊狀器官，或者是在肛門前向外開口，或者是向終腸開口。卵子并不需要事先受精就可以被排出體外。

棲息環(huán)境

 電鏡下的水熊蟲，水熊蟲在干燥狀態(tài)或環(huán)境惡化時(shí)，身體會縮成圓桶形自動脫水靜靜地忍耐蟄伏（隱生現(xiàn)象），此時(shí)會展現(xiàn)驚人的耐力。生命力超強(qiáng)，能在冷凍、水煮、風(fēng)干的狀態(tài)下存活，甚至能在真空（vacuum）中或者放射性射線（Radioactive ray）下存活。

分布范圍

 水熊有記錄的約有900余種，其中許多種是世界性分布的。

生存能力

  緩步動物門具有全部四種隱生（Cryptobiosis）性（即低濕隱生（Anhydrobiosis）、低溫隱生（Cryobiosis）、變滲隱生（Osmobiosis）及缺氧隱生（Anoxybiosis）），能夠在惡劣環(huán)境下停止所有新陳代謝。緩步動物也因此被認(rèn)為是生命力最強(qiáng)的動物。在隱生的情況下，一般可以在高溫（151°C）、接近絕對零度（Absolute zero）（最高紀(jì)錄-272.8°C）、高輻射（High radiation）、真空或高壓的環(huán)境下生存數(shù)分鐘至數(shù)日不等。曾經(jīng)有緩步動物隱生超過120年的記錄。

低溫隱生

 低溫就會引起低溫隱生(Low temperature latent)。緩步動物能先被冷凍再經(jīng)解凍而復(fù)蘇，而且不會對身體造成損壞。1975年Crowe將活動狀態(tài)的Macrobiotus areolatus放到2毫升-20°C的水中。所有實(shí)驗(yàn)動物立刻進(jìn)入小桶狀態(tài)。在4°C的水中解凍只需要一分鐘。80%的動物成功蘇醒。神父拉門曾把水熊蟲在-200°C的液態(tài)空氣里泡了20個(gè)月，在-253°C的液態(tài)氮里泡了26小時(shí)，-272°C的液態(tài)氦泡8小時(shí)。結(jié)果，在之后，水熊蟲們像什么都沒發(fā)生似的，“復(fù)活”了。

一些極地魚類物種會分泌防凍蛋白，自己體內(nèi)不結(jié)冰。但水熊蟲似乎允許體內(nèi)結(jié)冰，或它能夠自我修復(fù)。 

低濕隱生

  這是最常見的隱生形式，當(dāng)陸生的緩步動物生活環(huán)境開始缺水時(shí)即會發(fā)生。但當(dāng)它們再次接觸到水的時(shí)候，它們能在很短時(shí)間之內(nèi)重新活動。包括陸生緩步動物在內(nèi)，只有它們身處水中才能存活。如果周邊液體被稀釋甚至低于體液濃度時(shí)，緩步動物就會蜷縮成桶狀。背側(cè)的甲片會層疊在一起，甲片之間的彈性角質(zhì)層會收縮。進(jìn)入所謂的“小桶狀態(tài)”（Cask Phase）（Tönnchenform）。在“小桶狀態(tài)”下，它們的新陳代謝(The new supersedes the old)速度會降低到原來的0.01%。 

  進(jìn)入“小桶狀態(tài)(Keg state)”的首要原因是缺氧(hypoxia)。實(shí)驗(yàn)中停止通風(fēng)，緩步動物會收縮。但在水中肌肉的收縮狀態(tài)不能持久。所以“小桶”遇水即會重新舒展，但個(gè)體會立即進(jìn)入窒息狀態(tài)（Asphyxia）。

  緩步動物能渡過缺水期有前提，就是該過程是緩慢進(jìn)行的而且空氣濕度不能太低。干燥過程太快，緩步動物就沒有時(shí)間去收縮。作違背該前提的實(shí)驗(yàn)，可以觀察到緩步動物緊壓在地表，很難復(fù)蘇。

缺氧隱生

 缺氧隱生發(fā)生于緩步動物周遭液體含氧量低于一個(gè)閾值(threshold)。開始的時(shí)候緩步動物先收縮，但后來就會伸展到最大狀態(tài)，同時(shí)也是窒息狀態(tài)，而且它們已沒有能力排出進(jìn)入體內(nèi)的水分。一些種類能在缺氧狀態(tài)下存活五天。缺氧隱生時(shí)緩步動物的新陳代謝狀態(tài)不明。

變滲隱生

 變滲隱生(Variable percolation)還沒有很好的被觀察到。變滲隱生是因?yàn)榄h(huán)境的滲透壓升高引起的。Macrobiotus bufelandi在0.4%的鹽溶液中仍然能活動。在15%的鹽溶液中它會在9秒之內(nèi)進(jìn)入小桶狀態(tài)。Echiniscoides sigismundi在淡水中會窒息，但若在三天內(nèi)將它重新放到海水中，它就會蘇醒過來。

高溫生存

  1842年，法國科學(xué)家Doyère表示“小桶狀態(tài)”下的水熊蟲可在125°C的水中存活數(shù)分鐘。上世紀(jì)20年代，神父拉門（G.Rahm),把幾只在151°C水中“煮”了15分鐘的水熊“復(fù)活”。

 一些生物會分泌一種叫做“海藻糖（trehalose）”的物質(zhì)，海藻糖會在細(xì)胞內(nèi)形成一種玻璃狀物體，來穩(wěn)定蛋白等重要物質(zhì)。他可以控制水分子在高溫下膨脹（細(xì)胞中水分子高度膨脹是致命的）。

 我們會覺得水熊也使用這種方法抵御高溫，但學(xué)者托馬斯·布思比（Thomas Boothby），只有一些水熊會分泌海藻糖，“一部分貌似并不產(chǎn)生海藻糖，或者是是因糖量太低我們檢測不到�！彼�還說到：“我們知道，水熊會分泌一種‘保護(hù)劑’，但那東西具體是什么還是個(gè)未解之謎�！� 

胞囊形式

 在包囊中渡過困難時(shí)期并不算是隱生的一種。

 在苔蘚(Moss and lichen)和干草(Hay)間生活的，特別是淡水生的種類能夠通過這種胞囊的形式渡過困難時(shí)期。在這種狀態(tài)下緩步動物會縮小成只有原來20%到50%的體積,降低新陳代謝甚至分解部分器官。該過程伴隨有三次連續(xù)的蛻皮，結(jié)束的時(shí)候，動物就會被多層角質(zhì)層外殼所包繞。在這種狀態(tài)下緩步動物能存活一年。當(dāng)環(huán)境改變回來，該個(gè)體能在6到48小時(shí)內(nèi)脫殼而出。

 胞囊的形成只會在水中發(fā)生。它遠(yuǎn)不如小桶狀態(tài)那樣具抵抗能力，而且其水分含量也決定了其不具有抗高溫能力。

生存狀況

 德國科隆-波爾茲（Cologne - Paulze）宇宙醫(yī)學(xué)研究中心（Center for medical research in the universe）研究員、參加本次研究的天體生物學(xué)家之一

彼得拉·雷特貝格說，“我們發(fā)現(xiàn)，這兩種緩步類動物(Tardigrata)在太空環(huán)境中都生活得很好，和在地面上沒有多大區(qū)別。但是遭受太空環(huán)境和太陽輻射雙重考驗(yàn)后的樣本，存活率很低�！� 實(shí)際上，當(dāng)最終被放回水中的時(shí)候，暴露在太空環(huán)境和太陽輻射雙重考驗(yàn)下的緩步類動物只有10%存活了下來，并且，所有的幼蟲都沒有孵化出來。但是，榮松說，“盡管如此，這也是人類迄今為止發(fā)現(xiàn)的第一種在雙重暴露下，仍然有樣本存活的動物�！崩滋刎惛裢茰y，可能是緩步類動物的外層，即皮層，可以幫助它們抵御太陽輻射。

 研究人員稱，和微生物細(xì)菌（Microbial bacteria）耐輻射奇球菌（Streptococcus）一樣，緩步類動物肯定也有一種細(xì)胞機(jī)理——可以修復(fù)輻射的傷害，或者直接抵御太陽輻射。榮松說，“在遭受太陽輻射的時(shí)候，沒有數(shù)據(jù)顯示緩步類動物的體內(nèi)在發(fā)生變化。所以，我們不知道太陽輻射對它們的傷害有多大，它們又是怎樣修復(fù)這些傷害的�！� 實(shí)驗(yàn)表明，至少有一些動物可以在嚴(yán)酷的太空環(huán)境下毫無屏障地存活。在這個(gè)“超級堅(jiān)強(qiáng)”動物的名單上，還包括輪蟲類、線蟲類（蛔蟲）、可抗干燥的昆蟲幼蟲，還有甲殼類如鹽水蝦�？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，所有的這些“超級動物”都和緩步類動物一樣，具備高度抗干燥的能力。一部分緩步類動物賴以生存的地衣類植物也可以在太空環(huán)境下生存。榮松說，“如果保護(hù)這些緩步類樣本遠(yuǎn)離太陽輻射，它們可以在太空中存活幾年。但是問題是，飛船進(jìn)出大氣層時(shí)會產(chǎn)生巨大的噴射力，這些樣本也受到了影響�！憋w船進(jìn)出太空大氣層產(chǎn)生的灼熱感和一個(gè)石塊進(jìn)出行星大氣層產(chǎn)生的摩擦大致相當(dāng)。

 星際旅行可能會花費(fèi)幾百萬年的時(shí)間，人類并沒有能力進(jìn)行如此長期的實(shí)驗(yàn)。但是，至少有一部分緩步類動物在星際旅行最開始的10天里可以完好地生存。測驗(yàn)緩步類動物生存能力的真正問題是尋找一個(gè)合適的環(huán)境。榮松說，“只要找到一個(gè)比太空溫和一些的環(huán)境，緩步類動物[4]  就可能繁殖、生存�！�

太空實(shí)驗(yàn)

 瑞典克里斯蒂安斯特大學(xué)(Kelisidiansite University)的伊格瑪及其同事認(rèn)為，如果地球上有動物能夠在太空惡劣環(huán)境下生存，緩步動物[5]  當(dāng)是首選。因此在2013年9月，他們選擇了兩種緩步動物R.coronifer和小斑熊蟲(Tardigrade milnesium tardigradum)，在干粉狀態(tài)下放入歐空局BioPan－6太空艙，并將其送入了太空軌道，進(jìn)而觀察這種生物在太空中會有什么表現(xiàn)。
　　這些緩步動物在太空中，經(jīng)過10天暴露在輻射(radiation)、真空(vacuum)及低溫(low temperature)條件下。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，R.coronifer無法在紫外照射的條件下生活，科學(xué)家認(rèn)為這可能是DNA受損所致。不過，有3個(gè)小斑熊蟲樣本卻未受影響。在濾去紫外線的條件下，這些經(jīng)過惡劣太空條件考驗(yàn)的小動物同對照樣本一樣，可排卵，并可脫殼成活。該結(jié)果發(fā)表于《當(dāng)代生物》雜志。

  該結(jié)果表明，地球生物的適應(yīng)能力非常強(qiáng)。而此前，人類僅知苔蘚和細(xì)菌可在真空和宇宙輻射下生存。雖然緩步動物可在地球極其干燥的條件下生存，但太空的條件極端惡劣。如地球海平面大氣壓為十萬帕斯卡(Pascal)，而在地球低軌道，大氣壓是地球大氣壓10億分之一。在這種條件下，幾乎沒有水分子（Water molecules）可以保留在體內(nèi)。

 科學(xué)家試圖通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，來了解地球生物能否在星際旅行（Star Trek）時(shí)生存，并希望掌握哪些生物能搭乘太空船，進(jìn)而導(dǎo)致其他星球被地球生物所污染。德國太空生物學(xué)家戈達(dá)認(rèn)為，緩步動物能在極端條件下生存的能力對人類移居其他星球十分重要。但他認(rèn)為，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果尚無法了解動物是如何在惡劣環(huán)境下發(fā)育和繁殖的。而伊格瑪（Igma）則認(rèn)為，緩步動物（Tardigrata）搭乘太空船去污染火星的可能性非常小，因?yàn)榫彶絼游铮?/span>Tardigrata）需要食物。她認(rèn)為最可能搭便車到火星去的可能會是苔蘚或細(xì)菌�？茖W(xué)家還不清楚，緩步動物能抵抗紫外輻射（Ultraviolet radiation）的原因。他們推測這可能與其在缺水后能夠復(fù)活的能力有關(guān)。

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