為何三體人脫水后還能復(fù)活？生物學(xué)上可能嗎？
撰文丨王志榮
近日熱播的科幻電視劇《三體》中，受到嚴(yán)酷環(huán)境考驗(yàn)的三體人喊出“我脫水！”后，身體便震顫著迸出水分，化為一副可以卷起的皮囊，方便同伴攜帶，也方便集中儲(chǔ)藏，令人感到驚奇而震撼。待到恒紀(jì)元時(shí)環(huán)境適宜，大王一聲令下，干枯的軀體傾瀉入水，在生命之泉的充盈中紛紛復(fù)活。
三體人浸泡在水中后復(fù)活。圖源：《三體》，騰訊視頻
類(lèi)似三體人如此脫水而后浸水復(fù)活，在生物學(xué)上是可能的嗎？
答案是肯定的。實(shí)際上，自然界中有一種神奇的生物，也可以用脫水的辦法，近乎停止身體的一切代謝活動(dòng)，度過(guò)嚴(yán)酷環(huán)境——這便是名聲在外的水熊蟲(chóng)。
水熊蟲(chóng)是緩步動(dòng)物門(mén)的一種微小生物，成體只有大約0.5毫米的長(zhǎng)度，不借助顯微鏡的情況下，幾乎難以用裸眼分辨。目前已知有1380種水熊蟲(chóng)種類(lèi)，有的生活在海水，有的生活在淡水，還有的生活在陸地上潮濕的苔蘚中，關(guān)鍵是都離不開(kāi)水。
圖源：參考文獻(xiàn)[5]
上圖正是爬行的水熊蟲(chóng)，通體透明。水熊蟲(chóng)乍一看像個(gè)米其林輪胎吉祥物，或者胖乎乎的小熊，有四對(duì)八只矮胖的足以及末端的小爪子。1773年德國(guó)動(dòng)物學(xué)家Johann August Ephraim Goeze給這種動(dòng)物起名“小水熊”。
水熊蟲(chóng)在極端環(huán)境下，脫掉全身絕大部分的水分，便可在極寒、極熱、干燥、高壓、缺氧、甚至真空宇宙射線中存活下來(lái)。科學(xué)家們猜測(cè)：是否存在一種保物質(zhì)，在水熊蟲(chóng)遭遇極端環(huán)境后會(huì)被激活，保護(hù)它們體內(nèi)失掉水分的細(xì)胞。
與嗜熱菌之類(lèi)的嗜極端生物不同，水熊蟲(chóng)并不是適應(yīng)在極端環(huán)境中穩(wěn)定生活，而是動(dòng)用渾身資源去經(jīng)受極端考驗(yàn)；就像三體人在亂紀(jì)元脫水只是求生，等待恒紀(jì)元生產(chǎn)發(fā)展。所以，一個(gè)合理的猜測(cè)是在脫水狀態(tài)下保護(hù)水熊蟲(chóng)的物質(zhì)平時(shí)不需要；當(dāng)嚴(yán)酷環(huán)境到來(lái)才被制造出來(lái)——即編碼這種蛋白質(zhì)的基因在關(guān)鍵時(shí)刻特異性地提高了表達(dá)量。
2017年，美國(guó)科學(xué)家Bob Goldstein實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，一類(lèi)在水熊蟲(chóng)干燥脫水過(guò)程中才特異性高表達(dá)的CAHS蛋白（cytosolic-abundant, heat-soluble proteins）可能是答案。
他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外界環(huán)境惡化時(shí)，水熊蟲(chóng)體內(nèi)的CAHS基因表達(dá)就會(huì)升高，從而確保水熊蟲(chóng)進(jìn)入脫水的保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)然，這并不表明環(huán)境惡化與CAHS基因表達(dá)高之間存在因果關(guān)系，說(shuō)不定只是時(shí)間上相關(guān)而已。
所幸在水熊蟲(chóng)上還有一些驗(yàn)證基因功能的工具。
驗(yàn)證生物學(xué)上的因果關(guān)系講究既要有“必要性”（沒(méi)有不行），也要有“充分性”（加到別處也行）。Goldstein實(shí)驗(yàn)室通過(guò)用RNA干擾的方法降低一部分CAHS基因的表達(dá)量，發(fā)現(xiàn)水熊蟲(chóng)的存活能力顯著下降，這說(shuō)明CAHS蛋白確實(shí)不可或缺；而通過(guò)在酵母、細(xì)菌這些本來(lái)沒(méi)有CAHS基因的細(xì)胞中加入這些基因，這些單細(xì)胞生物就獲得了更強(qiáng)地在干旱中存活的能力。乳酸脫羥酶在干燥環(huán)境下會(huì)降低到1%的酶活性，而混入CAHS蛋白后就可以保護(hù)酶活性不受破壞。也就是說(shuō)，CAHS蛋白給其他蛋白或者細(xì)胞穿上了一層抵抗干燥脫水的“保護(hù)衣”。
那么，水熊蟲(chóng)脫水后穿上“保護(hù)衣”的過(guò)程是什么樣呢？
Goldstein實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為，水熊蟲(chóng)在干燥脫水的過(guò)程中形成非晶態(tài)固體，好像水快速冷卻的過(guò)程中沒(méi)有冰晶的形成，從而達(dá)到透明似玻璃的固體狀態(tài)，保存了細(xì)胞中蛋白質(zhì)和脂質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)，也就是“玻璃化”。水熊蟲(chóng)在脫水的過(guò)程中，CAHS蛋白也會(huì)玻璃化，參與保護(hù)。當(dāng)然這種保護(hù)是有限度的，如果環(huán)境溫度過(guò)高，超過(guò)了“玻璃轉(zhuǎn)化溫度”（指玻璃態(tài)物質(zhì)從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化成高彈態(tài)的溫度），玻璃化就遭到了破壞，類(lèi)似結(jié)晶固體越過(guò)了熔點(diǎn)從而變成了液態(tài)。不論是在水熊蟲(chóng)還是在單細(xì)胞酵母中，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)了CAHS蛋白的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，保護(hù)力被破壞，生物也無(wú)法存活。
這是否意味著，水熊蟲(chóng)脫水后復(fù)活的秘密武器就這樣揭曉了？
四年后，兩位日本科學(xué)家給雜志社寫(xiě)信，質(zhì)疑Bob Goldstein實(shí)驗(yàn)室在2017年的文章。質(zhì)疑點(diǎn)主要是在論文最后的“玻璃化”理論。他們認(rèn)為，原文中用差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry）測(cè)量出的玻璃轉(zhuǎn)化溫度來(lái)反映玻璃化的性質(zhì)，并不是CAHS這種蛋白所特有的，很多體內(nèi)的蛋白質(zhì)（例如人生長(zhǎng)激素或者牛血清白蛋白）或者體外蛋白質(zhì)（例如蠶絲或者蜘蛛絲）也可以，所以不能說(shuō)CAHS蛋白可以玻璃化就能保護(hù)脫水的水熊蟲(chóng)。
原論文作者則回應(yīng)稱(chēng)，這個(gè)反駁有些站不住腳，因?yàn)檎故境鲱?lèi)似理化性質(zhì)的物質(zhì)不一定就要行使同樣的生物學(xué)功能，并且考慮到微環(huán)境中其他成分，變數(shù)就會(huì)更大，CAHS蛋白大概只是參與保護(hù)的一種重要組分，而非唯一因素。也就是說(shuō)，脫水水熊蟲(chóng)的玻璃轉(zhuǎn)化溫度不一定是CAHS蛋白和其他保護(hù)成分的玻璃轉(zhuǎn)化溫度的線性疊加。
實(shí)驗(yàn)方面，兩位日本科學(xué)家質(zhì)疑的內(nèi)容為兩部分，一是檢測(cè)CAHS蛋白玻璃化，二是檢測(cè)水熊蟲(chóng)玻璃化，焦點(diǎn)都在樣品的含水量。由于測(cè)量過(guò)程中使用的溫度會(huì)逐漸上升到200攝氏度，固態(tài)樣品中殘留的水分子會(huì)蒸發(fā)從而影響數(shù)據(jù)曲線的讀數(shù)。他們重復(fù)了2017年文章中的實(shí)驗(yàn)并且加入了一種監(jiān)測(cè)升溫過(guò)程中質(zhì)量變化的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)如果提純的CAHS蛋白樣品徹底烘干后，玻璃轉(zhuǎn)化溫度就不復(fù)存在了。不過(guò)，含有水分的CAHS蛋白樣品數(shù)據(jù)和Bob Goldstein實(shí)驗(yàn)室的論文是一致的。指出含水量這個(gè)參數(shù)非常有意義，因?yàn)檫@是實(shí)驗(yàn)條件中差異巨大的一點(diǎn)，需要嚴(yán)格控制。平時(shí)天氣預(yù)報(bào)中常說(shuō)的空氣濕度是個(gè)相對(duì)百分比，常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)室濕度大約在35%左右，而對(duì)于生活在極度潮濕環(huán)境中的水熊蟲(chóng)，95%的濕度就已經(jīng)算是緩慢的干燥刺激了，70%就是比較致命的速干刺激。
對(duì)于水熊蟲(chóng)玻璃化的的測(cè)試，日本科學(xué)家們未能重復(fù)出原文結(jié)果，因?yàn)闆](méi)有看到明顯的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。他們向原作者要來(lái)了原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，認(rèn)為原文中報(bào)道的98攝氏度的玻璃轉(zhuǎn)化溫度是讀數(shù)曲線中微不足道的一個(gè)小噪音導(dǎo)致的，并不可靠。
這多少是在暗示原作者有操縱數(shù)據(jù)的嫌疑。因?yàn)樵谠牡膶?shí)驗(yàn)條件下，用特定的水熊蟲(chóng)類(lèi)型，干燥的水熊蟲(chóng)存活率在外界溫度加熱到90多攝氏度的時(shí)候就會(huì)斷崖式下降。選取98攝氏度左右這個(gè)玻璃轉(zhuǎn)化溫度似乎可以對(duì)應(yīng)上存活率暴跌的溫度，從而加強(qiáng)玻璃化和脫水保護(hù)之間的相關(guān)性。
2017年文章中未脫水和脫水后水熊蟲(chóng)隨溫度變化的生存曲線，灰色縱向陰影指示測(cè)量出的水熊蟲(chóng)玻璃轉(zhuǎn)化溫度。圖源：參考文獻(xiàn)[1]
原作者們?cè)谑盏搅颂魬?zhàn)信之后，針?shù)h相對(duì)做了回復(fù)。對(duì)于檢驗(yàn)水熊蟲(chóng)的玻璃化，他們認(rèn)為日本科學(xué)家的重復(fù)實(shí)驗(yàn)樣本量不足，使用的干燥條件不同，沒(méi)有對(duì)照實(shí)驗(yàn)證明脫水的水熊蟲(chóng)后來(lái)可以復(fù)活。
對(duì)于CAHS蛋白玻璃化的檢驗(yàn)，原作者也要來(lái)了日本科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新分析和作圖。通過(guò)將縱軸的尺度拉伸使其顆粒度更小，顯示出不論是完全脫水還是原先實(shí)驗(yàn)中含有一定水分的蛋白樣品，都出現(xiàn)了玻璃轉(zhuǎn)化溫度。而且已知完全干燥的樣品會(huì)有向更高溫偏移的情況，所以80攝氏度的峰偏移到了95攝氏度，160攝氏度的峰偏移出了測(cè)量范圍也解釋得通。這樣就反駁了日本科學(xué)家——他們認(rèn)為完全干燥樣品不出現(xiàn)玻璃轉(zhuǎn)化溫度，CAHS蛋白玻璃化的結(jié)果是其中含水量造成的錯(cuò)覺(jué)。由于對(duì)這樣的測(cè)量結(jié)果沒(méi)有嚴(yán)格統(tǒng)一的統(tǒng)計(jì)學(xué)上檢測(cè)顯著的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法準(zhǔn)確定義一個(gè)玻璃轉(zhuǎn)化溫度，所以雙方各執(zhí)己見(jiàn)，無(wú)法達(dá)成一致。
左圖為2021年日本科學(xué)家進(jìn)行的重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，右圖為2021年美國(guó)科學(xué)家對(duì)左圖數(shù)據(jù)進(jìn)行的重新分析。注意縱軸的尺度。圖源：參考文獻(xiàn)[3]
水熊蟲(chóng)為何可以脫水存活，而后遇水復(fù)活？總結(jié)一下，美日兩國(guó)科學(xué)家都同意水分在其中起到復(fù)雜而重要的作用，但水是因還是果，以及CAHS蛋白的玻璃化進(jìn)而保護(hù)脫水的水熊蟲(chóng)還需要謹(jǐn)慎的實(shí)驗(yàn)和仔細(xì)的考量。CAHS蛋白或者玻璃化也明顯不是唯一解，是否和其他的保護(hù)成分一起作用，還有待更多探索。
制版編輯 | 小毛
