水熊占领月球?

2019-05-03刘声远

大自然探索 2019年12期

刘声远

2019年4月11日，午夜刚过，在以色列航天飞行控制中心里，每个人都目不转睛地盯着两个大屏幕。其中左侧屏幕上显示的是由准备登陆月球的机器人登陆器创世纪号正在传回地球的数据流，而创世纪号是以色列首部私人月球登陆器。在右侧屏幕上，显示的是准备在月面“平静海”位置软着陆的创世纪号点燃发动机的模拟画面。但就在计划登陆时间之前几秒，左侧屏幕上的数字滚动停止——控制中心失去了与创世纪号的联系，创世纪号坠向月面。

在世界另一边，斯皮瓦克在美国洛杉矶市的一间会议室里观看创世纪号控制中心发来的直播。作为致力于创建“后备地球”的非营利组织“主要任务基金会”的缔造者，斯皮瓦克在创世纪号任务中下了重注。创世纪号搭载着该基金会的第一个月球图书馆——一张DVD大小的数据库，其中包括3000万页的信息、人类DNA样本和数千只水熊（微型缓步类动物，可在包括太空在内的几乎所有环境中生存）。在以色列证实创世纪号坠毁于月面后，斯皮瓦克面临一个棘手问题：最坚韧的动物——水熊是否散布在了月面？

最后一刻的决定

在创世纪号坠毁后几周里，斯皮瓦克召集“主要任务基金会”的顾问们一起商议创世纪号搭载的月球图书馆是否也毁了。根据他们对创世纪号飞行轨迹和月球图书馆组成的分析，斯皮瓦克确信由薄镍片制成的月球图书馆至少大部分完整地挺过了这场灾难。事实上，当初决定把DNA样本和水熊纳入该图书馆，有可能正是该图书館能够幸存的关键所在。

致力于创建“后背地球”的斯皮瓦克。

月球图书馆（示意图）。

斯皮瓦克说，在得知创世纪号坠毁后的24小时里他们非常惊讶，因为他们期望并相信这次任务会成功。虽然他们深知有风险，但真没想到风险会这么大。斯皮瓦克对太空探索中涉及的风险并不陌生。20世纪90年代后期，大企业家斯皮瓦克乘坐俄罗斯空军飞机到达过太空边缘，并成为美国首家商业化抛物线飞行（即太空飞行）运营者——“零重力公司”的投资者。但在斯皮瓦克于2015年创办“主要任务基金会”时，他希望做另一件事——刨建可持续至少几千万年的所有人类知识档案，并且把它们传播到地球和整个太阳系。

2018年，该基金会把自己的首个档案放在美国富商马斯克研发的太阳轨道器特斯拉号上的杂物箱中进入了太空。如今，特斯拉号正在一个周期为3000万年的轨道中环绕太阳运行。该档案中包括美国著名科普作家阿西莫夫的基地三部曲，这些作品通过由英国南安普顿大学物理学家研发的一种创新性印光学技术铭刻在一张石英碟片上。但石英碟片作为存储介质有多个缺陷。数字技术和加密标准对于把大量信息压缩进一个微小空间来说很有用，但这些信息是短命的：以前人们用录像带记录影像，而今天还有多少人会播放录像机？很多录像带已经报废。石英碟相当于改进了的录像带，因此不难想象石英碟也会报废。为了创建能持续几千万甚至几亿年、几十亿年的档案图书馆或者信息库，就必须依赖模拟技术。

但模拟要占用大量空间，这意味着要把巨量人类知识送进太空就需要巨量压缩。为此，斯皮瓦克向研发了一种在镍片上铭刻高像素纳米规模图像技术的科学家布鲁斯求助。布鲁斯先用激光把一幅图像刻在玻璃上，然后一个接一个地把镍原子存放在玻璃表层。在由此形成的镍膜中的图像是全息的，可通过千倍放大镜观看，而放大技术已经存在了好几百年。

创世纪号上的月球图书馆由25层镍组成，其中每层厚度仅为几微米。前4层包含大约6万幅高像素书页图像，其中有语言入门指南、教科书和用于打开其他21层的密钥。这21层包含英语大百科全书几乎所有内容和上万册经典书。斯皮瓦克原本没打算在创世纪号上放置DNA样本，直到把月球图书馆交给以色列之前几周他才决定在创世纪号上放一些DNA。布鲁斯和斯皮瓦克团队一位工程师在每层镍之间添加了一个薄层的环氧树脂，这种合成树脂与保存远古昆虫的琥珀——树脂化石作用相同。在这些环氧树脂中，塞进了斯皮瓦克本人和其他24人的毛囊和血液样本（斯皮瓦克说这些人代表了人类祖先的多种基因样本），还塞进了一些脱水的水熊。在与月球图书馆连接的带子上还有另外数千只已经脱水的水熊。

水熊会活下来吗？

斯皮瓦克说，这些水熊将来有可能会复苏。水熊可进入休眠状态，在此期间代谢停止，水熊体内的一些蛋白质将水熊细胞内的流体转化为一种玻璃样物质。科学家曾经复苏过脱水时间长达10年的水熊，而在一些情况下水熊哪怕脱水比10年还长得多也能复苏。虽然月球图书馆设计目的是能持续存在至少几千万年，但科学家才刚开始了解水熊为什么能在众多逆境中生存。可以设想，随着科学家对水熊了解更多，就会找到更多办法让水熊在脱水很长时间后复苏。

斯皮瓦克说，在最后一刻才决定把填充了DNA的环氧树脂添加到月球图书馆是一大风险，因为添加过程中的任何失误都可能损毁镍层中的雕刻。但现在来看，可能恰恰是这一添加才让月球图书馆避免毁于一旦：树脂层大大增加了月球图书馆的强度，从而让该图书馆在创世纪号撞击月面时分崩瓦解的可能性更低。斯皮瓦克还说，撞击产生的热根本不足以熔化镍层，这些镍层本身被多个保护层覆盖以阻挡辐射。这样一来，月球图书馆就可能是创世纪号在这次任务中的唯一幸存部分。

在最好情况下，创世纪号会在坠毁时将月球图书馆弹出。现在月球图书馆完好地躺在创世纪号坠毁现场附近某个位置。斯皮瓦克说，就算月球图书馆已经瓦解，他的团队分析也表明这些碎片大得足以提取前4层的大部分模拟信息。至于月球图书馆中的DNA或水熊是否依然完整，那就只能靠猜了。但斯皮瓦克指出，没必要担心水熊会占领月球。未来宇航员在月球上发现的任何水熊都必须被带回地球或带到其他有大气层的地方才能充水、复苏。到时候水熊能否复苏还是个问号，毕竟这些水熊将会在脱水状态下待多久是未知数。

根据美国自己的武断标准，斯皮瓦克及其基金会在月面留下DNA和水熊的做法并不违法。美国宇航局行星保护署根据任务目标是否有助于了解生命本身来判定任务是否合法。根据此标准，前往火星等地的飞行器的消毒程序比前往月球的飞行器要严格得多，原因是月球上几乎不存在生命支持条件，因而不存在污染风险。事实上，斯皮瓦克并非是在月球上留下DNA的第一人，而美国宇航局阿波罗号任务中的宇航员才是——他们返回地球之前在月面上留下了100袋人类排泄物。

“不违法”对斯皮瓦克来说是个好消息，因为他希望把更多DNA融入未来前往月球和更远处的多个图书馆中。2019年秋季，“主要任务基金会”发起众筹征战，征集志愿者和濒危物种DNA样本参与下一次月球任务。此外，斯皮瓦克也计划发射采用合成DNA编码的海量信息。DNA存储的优势在于很容易大量复制样本，以及在一小瓶液体中装入天量样本。事实上，“主要任务基金会”已经找到了通过合成DNA来编码英语大百科全书的方法，如此编码的大百科全书将搭载2021年发射的一艘私人登陆器登陆月球。

水熊吞吃垃圾處理厂废物。

斯皮瓦克说，他的基金会致力于对地球的硬支持，旨在保护地球遗产，即人类的全部知识财富和生物学。他说，地球人必须未雨绸缪，创建整个地球的备份是应该的。面对气候剧变趋势、核战阴影和杀手小行星威胁等，创建人类文明的备份并非杞人忧天，多此一举。也有人指出，虽然实际情况并非如此悲观，但斯皮瓦克要建立地球财富备份的创意依然值得赞赏。

（责任编辑程辉）

水熊八大惊奇

水熊不是熊，却是很惊人的动物。它们小小、圆胖、可爱的身体只有0.05～1.2毫米长。它们可以脱水数年，复苏后身体完好无损。它们能够忍受其他绝大多数动物都忍受不了的极热和极寒，甚至还能忍受太空辐射。这里简介水熊的8大惊奇。

基本上只有脑袋

所有水熊都拥有圆胖、紧凑的身体，由4个体节组成，每个体节上都有一双腿，腿上有爪子。水熊圆胖的脑袋端部有一张带牙齿的圆形嘴巴。水熊体节与其他节肢动物身体之间的关系难以确定，、一种解释是水熊实际上就只有脑袋和腿。在进化历史上某个时点，水熊失去了与体节发育有关的多个基因，也失去了对应于其他节肢动物胸、腹的多个身体部分。水熊今天所具有的“分节”的身体方案与其他节肢动物的头节很相似，这表明进化历程中获得头部的方式并非单一。换句话说，既可以只有脑袋没有身体，也可以既有脑袋也有身体。

能忍耐极寒和极热

水熊能耐受-200～149℃的温度范围，它们通过排除体内水、收回肥胖肢腿、蜷缩成脱水的球状来做到这一点。威胁解除后，它们再度充水，恢复正常，看起来就像不曾遭受任何伤害。根据2017年发布的一项研究结果，能持续产生一种特殊蛋白质的水熊成功复苏的概率高于并不一直产生这种蛋白质的同伴。也就是说，这种特殊蛋白质可能正是水熊能忍耐极热和极寒的关键之所在。

卵上可能有爪子

水熊可在地球上几乎任何有水的地方生存，最近在日本一个停车场发现了一个水熊新种。迄今为止已经发现超过1000种水熊。水熊大多分布于苔藓和地衣中。在日本发现的新种水熊之奇特并不在于它是在城市中被发现的，而在于它的卵的顶部有意大利面条形状的扭动卷须。这些卷须有可能让水熊产下的卵能附着在地面上。

一出生就成年

水熊至少在5亿年前就已存在。1937年，科学家首次发现水熊一孵化就具备成年体态，只不过刚孵化的水熊个头比成年水熊小。水熊的许多种节肢动物亲戚都不是这样，后者的幼时体态和成年后的明显不同——例如蛆变成白蚁，毛毛虫变成蝴蝶或蛾子。水熊一生要脱皮多次，以适应身体变大，但它们一生中体态都不变。

冻结几十年也没关系

有一种水熊当中的两只在科学家的冰箱中呆了30年之久后成功复苏，其中一只立即忙碌起来。这两只水熊被提取自苔藓中，自1983年以来一直被储存在-20℃的条件下，它们没有显示出任何代谢迹象。但被重新充水仅一天后，其中一只就伸展肢腿，22天后其体内就有了卵子。它最终产卵19只，产生了14只活体水熊。

自带“宇航服”

水熊不仅能忍受极端温度，还能耐受高达最深海底压力6倍的压力。但这些还不是水熊卓越生存能力的全部。根據2008年发布的一项研究结果，未经过滤的太阳辐射和太空真空也奈何不了水熊，而能做到这一点的生物少之又少。在高于海平面25.8万～28.1万米的低地球轨道中，两种脱水的成年水熊及其卵子分别暴露在真空和辐射环境中10天后成功复苏，但暴露在辐射中的水熊存活率明显低些。

寿命可能超过太阳

科学家模拟过人类灭绝的灾难性场景，包括超新星爆发烧毁地球、太阳膨胀成红巨星吞没地球和大质量小行星撞击地球。但在其中每一种情况下，水熊都安然无恙。从这个意义上说，水熊堪称生命“永垂”。可以设想，就算太阳寿终正寝，水熊依然存在于世，如果那时候太阳和地球都没了，水熊会在哪里？无人知道，而我们知道的是虽然水熊个体的自然寿命只有两年半，但水熊作为一个物种整体真的是“不死”的。

激发新型玻璃研发

一种可能提高太阳能电池和LED灯效率的新型玻璃的研发，源于水熊对科学家提供的灵感。当水熊排出体内一些水分、进入休眠状态时，只发现于水熊体内的一些蛋白质将水熊细胞内的流体转化为一种玻璃样物质，保护生理结构一直到水熊复苏。受水熊的这一能力激发，科学家在2015年研发了一种玻璃材料，其高度组织化的分子结构与晶体和玻璃的更相似。这些“定向”分子可能在捕捉和引导光线方面更有效，从而提高光导纤维、LED灯和太阳能电池等装置的性能。

水熊可能拯救全球疫苗和血液供应

科学家2019年3月中旬宣布，看似微不足道的神奇生物水熊却可能保守着拯救无数人生命的秘密。

大多数兴旺于极端环境中的生物之所以能如此兴旺，是通过产生一种特殊的糖——海藻糖来避免自己脱水而实现的。奇隆的是，大多数种类的水熊缺乏这种糖。但水熊拥有富含细胞溶质的热熔性蛋白，而且热熔性蛋白只发现于水熊，这就把水熊与地球上其他极端生物（能存活于极端环境中的生物）区分开来。美国北卡罗来纳大学生物学家布思比的团队发现，当水熊缺水时，它们就加紧产生热熔性蛋白。在极端条件下，热熔性蛋白创建凝胶状的3D网络，它阻止水熊的其他蛋白解折叠（也称变性），也阻止其他蛋白相互合并，而解折叠和相互合并会引起细胞死亡。布思比由此想到：热熔性蛋白是否能够被用来保护人类依赖的那些脆弱的蛋白，例如疫苗和血液银行中血液的蛋白？事实上，疫苗和血液银行中的血液都基于蛋白，都需要低温保存才能保持活性。医学专家把温控的疫苗及其他基于蛋白的药物的供应链称为“冷链”。

科学家指出，我们急需却又缺乏安全和稳定保存细胞及生物试剂（例如生物酶）的新技术，在把药物和试剂送往偏远地区及缺乏维持冷链基础设施的地区时尤其如此。由于水熊的极端抗压能力，它们有可能为这一难题提供思路。布思比指出，发展中国家疫苗开发项目中大约90%的成本来自于保持疫苗低温的花费，如果水熊蛋白能保护基于蛋白的药物，就无需冷链来保持疫苗稳定。这对于发展中国家来说意义重大。

目前，布思比团队正与一家致力于开发细胞稳定技术的生物技术公司合作，尝试为制药厂提供水熊蛋白。如果成功，该研究就可能会让在发展中国家和军事地区（这两者都可能缺乏可靠的冷链）维持疫苗供应更容易。为采集大量热熔性蛋白，布思比团队向细菌插入负责制造热熔性蛋白的水熊基因。细菌的增殖能力很强，因此布思比团队一天内可繁育上万亿个细菌，让它们产生热熔性蛋白。把细菌转化成人体蛋白制造厂并非新鲜事。制药厂利用这一技术生产从胰岛素到抗癌干扰素的多种药物。从经过基因改造的热熔性蛋白生产者细菌安全提取这种蛋白事关重大，原因是细菌会产生一种被称为“内毒素”的有毒物质。为确保内毒素被完全清除，布思比团队正在进行这样的研究一把来自细菌的热熔性蛋白插入实验鼠体内。该团队还把水熊蛋白保存疫苗的能力与美国食品及药物管理局批准的保护剂的这一能力进行了比较，结果发现热熔性蛋白的保护能力是这些保护剂的10倍。

布思比团队的终极目标，是采用热熔性蛋白保护血液银行中的人血。这是一大挑战，因为人血比该团队正在实验的基于蛋白的药物复杂得多。血液由许多种类型的细胞构成，其中每一种都包含不同类型和比例的蛋白。因此，布思比团队将首先尝试用热熔性蛋白保存在人血中发现的每个类型的细胞。他们希望，如果热熔性蛋白能做到这一点，他们就会采用热熔性蛋白来保存完整状态的人血。美国食品及药物管理局规定的血液冷冻保存期为60天，一过期就必须抛弃这些血液。布思比说，让巡逻士兵背着微型冰箱不现实，但如果能在环境温度甚至高温条件下保存血粉，士兵携带血粉就很方便。如果有人需要输血，那么只需为血粉加水就能使用。

有科学家指出，布思比团队的上述预备性研究提供的证据表明，热熔性蛋白有可能被用来在挑战性条件下稳定生物物质。然而，布思比团队必须确保热熔性蛋白在被用来保存疫苗和人血时不会带来副作用。

八种极端生物

从生活在岩石内部的细菌到能承受极度冷热和强辐射的微生物，生命可呈现为非常极端的形式。这些极端生物不仅彰显出地球生命的坚韧，而且昭示出在宇宙其他地方存在生命的可能性：既然地球上的极端环境中都存在生命，那么宇宙中那些没那么极端的环境里就不可能有生命？这里简介8种惊人的极端生物，当然它们都是地球生物。

只需一滴水

科学家2010年在智利阿塔卡马沙漠一个洞穴里发现的杜氏盐藻，几乎完全无需水生存。在地球上最干燥的地方，这些微生物生长于蜘蛛网顶部，依赖早晨凝固在蜘蛛网上的那点可怜的水分生存。

嗜冷生物

發现于极地冰、冰川和海洋深处的嗜冷生物可以耐受-15℃的低温。它们中大多数是细菌、真菌和藻类，它们含有的生物酶适应在低温下发挥功能。在冰冷的两极海洋和西伯利亚冰原下面，都发现了嗜冷生物。

只需微薄能量

高温球菌能依靠被认为根本不足以维持生命的那么极少一点点化学反应（也就是极少一点点能量）来生存。它们生活在从巴布亚新几内亚附近地壳喷出的海底超热泉喷口附近。可以想象，除了只需极少能量外，它们所在的环境温度足以把其他大多数生物烫焦。

再成也不怕

高盐让人害怕。这句话没错。但一种嗜热菌能耐受的盐度之高一定会把大多数生物成死。其中一个例子是盐生盐杆菌，它能在美国加州欧文湖湖底10倍于海水盐度的环境中兴旺生长。

无需氧

新发现的一种铠甲动物（科学对其的认识还很有局限）所拥有的细胞器，让这种动物无需氧也能生存。这为宇宙其他地方存在生命的猜想提供了又一种间接证据。

石内生物

石内生物生活于岩石内部或其他被认为生命不可渗透的地方，例如动物壳缝隙或矿物颗粒之间的微孔内。哪怕在地表下3千米深度也发现了石内生物，而它们很可能在更深处也一样能生存。在如此深处很缺水分，但有研究表明石内生物靠吃周围环境中的铁、钾或硫生存。虽然环境选择对石内生物来说很有限，但这样的环境反而让石内生物避开了强风和来自太阳的强辐射侵害。