一滴水“喚回”一個(gè)生命

作者：哈里·萊文（Harry LeVine）

譯者：陳喆

1959年，一名來(lái)自美國(guó)北卡羅來(lái)納州的高中生約翰·克勞（John Crowe）在書中讀到一種被稱為“水熊”（亦稱水熊蟲）的微小生物。它們可以在干癟到只剩外殼的情況下仍能熬過(guò)數(shù)年，而一滴水就可以讓它“活”過(guò)來(lái)?？藙跒檫@種現(xiàn)象深深著迷：一滴水竟然可以“喚回”一個(gè)生命！

1961年，即將畢業(yè)的克勞開始進(jìn)行水熊蟲的復(fù)水現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)。到了大學(xué)，克勞主修生物，他對(duì)這種東西仍然保有濃厚的興趣。當(dāng)克勞來(lái)到加州大學(xué)戴維斯分校任職后，他開始致力于研究某些種屬的水熊蟲、線蟲、豐年蝦和酵母菌是如何進(jìn)入“假死”（生命暫停）狀態(tài)的：它們失去了細(xì)胞內(nèi)95％甚至更多的水分，但是在干涸了幾十年之后，仍然可以在接觸水后的數(shù)分鐘或者幾小時(shí)內(nèi)“蘇醒”。

哺乳動(dòng)物已經(jīng)進(jìn)化出了許多可以讓自身在極端環(huán)境條件下存活的“短期策略”，比如冬眠。一些嚙齒類動(dòng)物在冬眠時(shí)可以將自己的新陳代謝水平降低至正常水平的5％，但是不得不周期性地提高新陳代謝水平，避免身體受損；熊可以沉睡更長(zhǎng)時(shí)間，新陳代謝水平可以降低到正常水平的25％。但它們都無(wú)法和水熊蟲相比。水熊蟲可以將新陳代謝水平降低至正常水平的0.01％，它們的休眠狀態(tài)可以長(zhǎng)達(dá)十幾年。在遺傳關(guān)系上，水熊蟲是果蠅的遠(yuǎn)親，但它們沒(méi)有翅膀，有8條腿，體型胖乎乎的，身體小到可以藏在這句話末尾的句號(hào)里。它們被稱為“最可愛(ài)的無(wú)脊椎動(dòng)物”，并自立為一門——緩步動(dòng)物門，緩步動(dòng)物也是它們的正式稱呼。它們是復(fù)雜的多細(xì)胞生物，含有1000多個(gè)細(xì)胞，包括神經(jīng)元和其他特定類型的細(xì)胞。

打不死的水熊蟲

水熊蟲是水生生物，世界上共有1100多種水熊蟲。它們有的生活在喜馬拉雅山區(qū)海拔超過(guò)6千米的山腰上；有的生活在深度超過(guò)4千米的海洋里。海洋、湖泊、苔蘚和地衣表面覆蓋的薄薄的水層里都是它們的“居所”。人們?cè)谀蠘O洲寒冷而干旱的麥克默多干谷（McMurdo Dry Valleys）和埃及炎熱的西奈沙漠中也發(fā)現(xiàn)了它們。當(dāng)然，一只活的水熊蟲也像其他微小的生命一樣，可能會(huì)輕易地死于嚴(yán)酷的環(huán)境。但令人驚訝的是，處在“干涸”狀態(tài)下的水熊蟲卻能在人類致死劑量1000倍的X射線、射線或?qū)δ[瘤有殺傷作用的質(zhì)子流中存活；在真空和充滿太陽(yáng)輻射的太空環(huán)境中存活；在-272℃（接近絕對(duì)零度）的低溫下存活，在150℃的高溫下存活。它們是如何做到的呢？

這個(gè)秘密隱藏在水熊蟲的“干涸”狀態(tài)中。這也是水熊蟲這門動(dòng)物為了抵御惡劣環(huán)境而演化出的“獨(dú)門絕技”——隱生。在這種生命狀態(tài)下，它們可以呈假死的狀態(tài)，新陳代謝近乎停止。當(dāng)環(huán)境開始缺水時(shí)就會(huì)觸發(fā)水熊蟲低濕隱生的本領(lǐng)。目前科學(xué)家還尚未完全了解這個(gè)“招數(shù)”。它涉及一系列復(fù)雜的過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)部細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的保護(hù)。而當(dāng)細(xì)胞再次吸入水分時(shí)，里面的許多通路被激活，讓干涸的細(xì)胞完成蛋白質(zhì)和DNA的修復(fù)。

克勞和他的學(xué)生以及全球的其他生物學(xué)家通過(guò)多年的研究，發(fā)現(xiàn)了某些種屬的水熊蟲得以復(fù)水的關(guān)鍵因素，那就是它們的細(xì)胞間積累了一種簡(jiǎn)單的由兩個(gè)葡萄糖分子組成的糖——海藻糖。

水熊蟲在太空中的實(shí)驗(yàn)

2007年，一個(gè)名為Foton-M3的航天器載著3000只水熊蟲來(lái)到太空。科學(xué)家想看看水熊蟲在惡劣的太空環(huán)境下能否生存，它們到底有多頑強(qiáng)。Foton-M3是一個(gè)可回收的無(wú)人太空飛船，會(huì)在低地球軌道上運(yùn)行10天，然后回到地球。

幾種公認(rèn)的最頑強(qiáng)的水熊蟲在“干涸”狀態(tài)下來(lái)到距地球258千米的高空，在10天中經(jīng)歷太空的真空（同時(shí)有宇宙射線）環(huán)境或者“真空+太陽(yáng)輻射”的極端環(huán)境。它們能不能安全返回地球？

好消息是水熊蟲成為第一個(gè)挺過(guò)真空和太陽(yáng)輻射的動(dòng)物。

科學(xué)家把回到地球的水熊蟲進(jìn)行復(fù)水觀察：

在經(jīng)歷過(guò)真空環(huán)境的水熊蟲中，超過(guò)68％的水熊蟲在30分鐘內(nèi)恢復(fù)了常態(tài)，其中有些水熊蟲還產(chǎn)生了胚胎，但隨后的死亡率仍很高。

而經(jīng)歷過(guò)“真空+太陽(yáng)輻射”的水熊蟲，它們的恢復(fù)率較低。它們?cè)馐艿奶?yáng)紫外線輻射是地球表面的1000倍，這對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和DNA造成了非常大的傷害。

根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，科學(xué)家推測(cè)，水熊蟲中可能存在一些特殊的蛋白質(zhì)，使它們具備了一定的抗旱和抗輻射的“超能力”。

▲　顯微鏡下的水熊蟲

海藻糖——一種分子鑰匙

在20世紀(jì)70年代至80年代早期，克勞的小組開始研究海藻糖對(duì)水分子結(jié)構(gòu)、細(xì)胞膜的完整性和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。他們發(fā)現(xiàn)，海藻糖與大部分其他糖類不同——它可以非常容易地把與蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和細(xì)胞架構(gòu)相結(jié)合的水分子替換掉，并且在細(xì)胞干涸后與蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和細(xì)胞架構(gòu)相結(jié)合。另外，當(dāng)溫度下降，水結(jié)成冰后會(huì)形成具有鋒利邊緣的晶體，這些晶體會(huì)割開細(xì)胞膜并破壞蛋白質(zhì)。而海藻糖懸液會(huì)在冷凍后形成一種光滑的固體，減緩那些具有破壞性的反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程叫作玻璃化冷凍。

當(dāng)水被重新加入時(shí)，它又反過(guò)來(lái)替換海藻糖，細(xì)胞膜會(huì)保持它們的結(jié)構(gòu)完好如初。

凍干藥物

克勞指出，既然海藻糖能夠在水熊蟲干涸和復(fù)水的過(guò)程中保護(hù)細(xì)胞膜，那么對(duì)于更大、更脆弱的脊椎動(dòng)物的細(xì)胞，甚至是人類的細(xì)胞，海藻糖或許也具有同樣的保護(hù)作用。

實(shí)驗(yàn)表明，脊椎動(dòng)物的細(xì)胞不能產(chǎn)生海藻糖，而且海藻糖也不能輕易地進(jìn)入脊椎動(dòng)物的細(xì)胞?？藙诘难芯啃〗M證明：當(dāng)人類成纖維細(xì)胞（一種合成胞外基 質(zhì)和膠原蛋白的細(xì)胞）因凍干（在真空中干燥）失去95％～97％的水分時(shí)，海藻糖能對(duì)其提供一些保護(hù)。不過(guò)，這種保護(hù)狀態(tài)只能堅(jiān)持3天。

1994年，美國(guó)海軍請(qǐng)克勞研究有關(guān)血小板的凍干保存。血小板是一種對(duì)傷口愈合非常重要的血液成分，它們能在血管破裂時(shí)聚集起來(lái)并產(chǎn)生凝血塊堵住裂口，也能被用于治療一些癌癥，比如白血病。這類腫瘤的化療藥物會(huì)對(duì)骨髓產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致血小板的產(chǎn)生數(shù)量減少。軍方對(duì)凍干血小板的可行性感到非常興奮。室溫下，凍干的血小板在液體中保存不能超過(guò)5天。為減慢細(xì)菌和真菌生長(zhǎng)而降低保存溫度可能會(huì)令血小板的功能喪失?？藙诘难芯拷M發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在體溫條件下用海藻糖懸液孵育血小板時(shí)，血小板可以成功地“加載”海藻糖。他們通過(guò)控制冷凍速率、小心地干燥血小板，得到了一種可以在室溫下保存長(zhǎng)達(dá)2年的血小板粉末。加水重構(gòu)產(chǎn)生的復(fù)水血小板與普通的血小板相比，在促進(jìn)凝血方面具備85％的活性。

此外，海藻糖還可以保護(hù)疫苗制劑和包裹治療藥物的合成性脂質(zhì)體，使它們能夠經(jīng)過(guò)干燥變成粉末，易于在室溫下保存。這些粉末非常穩(wěn)定，可以被運(yùn)往世界上那些曾因沒(méi)有冰箱而無(wú)法開展免疫接種的地區(qū)。

基于克勞和他的研究團(tuán)隊(duì)的先驅(qū)性工作，現(xiàn)在有許多實(shí)驗(yàn)室和公司正在嘗試制備其他類型的凍干細(xì)胞，包括紅細(xì)胞、骨髓和其他干細(xì)胞，以及能在室溫下維持穩(wěn)定的蛋白制劑、疫苗和藥物。

誰(shuí)能想到這項(xiàng)卓越的醫(yī)療研究及其對(duì)人類福祉的貢獻(xiàn)都是源于一位高中生對(duì)微小的水熊蟲的執(zhí)著！他把自己的一生都貢獻(xiàn)給了這項(xiàng)研究——一滴水就是這樣讓生命復(fù)蘇。