一滴水“唤回”一个生命

一滴水“唤回”一个生命

作者：哈里·莱文（Harry LeVine）

译者：陈喆

1959年，一名来自美国北卡罗来纳州的高中生约翰·克劳（John Crowe）在书中读到一种被称为“水熊”（亦称水熊虫）的微小生物。它们可以在干瘪到只剩外壳的情况下仍能熬过数年，而一滴水就可以让它“活”过来。克劳为这种现象深深着迷：一滴水竟然可以“唤回”一个生命！

1961年，即将毕业的克劳开始进行水熊虫的复水现象的实验。到了大学，克劳主修生物，他对这种东西仍然保有浓厚的兴趣。当克劳来到加州大学戴维斯分校任职后，他开始致力于研究某些种属的水熊虫、线虫、丰年虾和酵母菌是如何进入“假死”（生命暂停）状态的：它们失去了细胞内95％甚至更多的水分，但是在干涸了几十年之后，仍然可以在接触水后的数分钟或者几小时内“苏醒”。

哺乳动物已经进化出了许多可以让自身在极端环境条件下存活的“短期策略”，比如冬眠。一些啮齿类动物在冬眠时可以将自己的新陈代谢水平降低至正常水平的5％，但是不得不周期性地提高新陈代谢水平，避免身体受损；熊可以沉睡更长时间，新陈代谢水平可以降低到正常水平的25％。但它们都无法和水熊虫相比。水熊虫可以将新陈代谢水平降低至正常水平的0.01％，它们的休眠状态可以长达十几年。在遗传关系上，水熊虫是果蝇的远亲，但它们没有翅膀，有8条腿，体型胖乎乎的，身体小到可以藏在这句话末尾的句号里。它们被称为“最可爱的无脊椎动物”，并自立为一门——缓步动物门，缓步动物也是它们的正式称呼。它们是复杂的多细胞生物，含有1000多个细胞，包括神经元和其他特定类型的细胞。

打不死的水熊虫

水熊虫是水生生物，世界上共有1100多种水熊虫。它们有的生活在喜马拉雅山区海拔超过6千米的山腰上；有的生活在深度超过4千米的海洋里。海洋、湖泊、苔藓和地衣表面覆盖的薄薄的水层里都是它们的“居所”。人们在南极洲寒冷而干旱的麦克默多干谷（McMurdo Dry Valleys）和埃及炎热的西奈沙漠中也发现了它们。当然，一只活的水熊虫也像其他微小的生命一样，可能会轻易地死于严酷的环境。但令人惊讶的是，处在“干涸”状态下的水熊虫却能在人类致死剂量1000倍的X射线、射线或对肿瘤有杀伤作用的质子流中存活；在真空和充满太阳辐射的太空环境中存活；在-272℃（接近绝对零度）的低温下存活，在150℃的高温下存活。它们是如何做到的呢？

这个秘密隐藏在水熊虫的“干涸”状态中。这也是水熊虫这门动物为了抵御恶劣环境而演化出的“独门绝技”——隐生。在这种生命状态下，它们可以呈假死的状态，新陈代谢近乎停止。当环境开始缺水时就会触发水熊虫低湿隐生的本领。目前科学家还尚未完全了解这个“招数”。它涉及一系列复杂的过程，最终实现对细胞内部细胞膜和蛋白质结构的保护。而当细胞再次吸入水分时，里面的许多通路被激活，让干涸的细胞完成蛋白质和DNA的修复。

克劳和他的学生以及全球的其他生物学家通过多年的研究，发现了某些种属的水熊虫得以复水的关键因素，那就是它们的细胞间积累了一种简单的由两个葡萄糖分子组成的糖——海藻糖。

水熊虫在太空中的实验

2007年，一个名为Foton-M3的航天器载着3000只水熊虫来到太空。科学家想看看水熊虫在恶劣的太空环境下能否生存，它们到底有多顽强。Foton-M3是一个可回收的无人太空飞船，会在低地球轨道上运行10天，然后回到地球。

几种公认的最顽强的水熊虫在“干涸”状态下来到距地球258千米的高空，在10天中经历太空的真空（同时有宇宙射线）环境或者“真空+太阳辐射”的极端环境。它们能不能安全返回地球？

好消息是水熊虫成为第一个挺过真空和太阳辐射的动物。

科学家把回到地球的水熊虫进行复水观察：

在经历过真空环境的水熊虫中，超过68％的水熊虫在30分钟内恢复了常态，其中有些水熊虫还产生了胚胎，但随后的死亡率仍很高。

而经历过“真空+太阳辐射”的水熊虫，它们的恢复率较低。它们遭受的太阳紫外线辐射是地球表面的1000倍，这对细胞结构和DNA造成了非常大的伤害。

根据这个实验结果，科学家推测，水熊虫中可能存在一些特殊的蛋白质，使它们具备了一定的抗旱和抗辐射的“超能力”。

▲　显微镜下的水熊虫

海藻糖——一种分子钥匙

在20世纪70年代至80年代早期，克劳的小组开始研究海藻糖对水分子结构、细胞膜的完整性和蛋白质结构的影响。他们发现，海藻糖与大部分其他糖类不同——它可以非常容易地把与蛋白质、脂质和细胞架构相结合的水分子替换掉，并且在细胞干涸后与蛋白质、脂质和细胞架构相结合。另外，当温度下降，水结成冰后会形成具有锋利边缘的晶体，这些晶体会割开细胞膜并破坏蛋白质。而海藻糖悬液会在冷冻后形成一种光滑的固体，减缓那些具有破坏性的反应，这个过程叫作玻璃化冷冻。

当水被重新加入时，它又反过来替换海藻糖，细胞膜会保持它们的结构完好如初。

冻干药物

克劳指出，既然海藻糖能够在水熊虫干涸和复水的过程中保护细胞膜，那么对于更大、更脆弱的脊椎动物的细胞，甚至是人类的细胞，海藻糖或许也具有同样的保护作用。

实验表明，脊椎动物的细胞不能产生海藻糖，而且海藻糖也不能轻易地进入脊椎动物的细胞。克劳的研究小组证明：当人类成纤维细胞（一种合成胞外基 质和胶原蛋白的细胞）因冻干（在真空中干燥）失去95％～97％的水分时，海藻糖能对其提供一些保护。不过，这种保护状态只能坚持3天。

1994年，美国海军请克劳研究有关血小板的冻干保存。血小板是一种对伤口愈合非常重要的血液成分，它们能在血管破裂时聚集起来并产生凝血块堵住裂口，也能被用于治疗一些癌症，比如白血病。这类肿瘤的化疗药物会对骨髓产生影响，从而导致血小板的产生数量减少。军方对冻干血小板的可行性感到非常兴奋。室温下，冻干的血小板在液体中保存不能超过5天。为减慢细菌和真菌生长而降低保存温度可能会令血小板的功能丧失。克劳的研究组发现，当在体温条件下用海藻糖悬液孵育血小板时，血小板可以成功地“加载”海藻糖。他们通过控制冷冻速率、小心地干燥血小板，得到了一种可以在室温下保存长达2年的血小板粉末。加水重构产生的复水血小板与普通的血小板相比，在促进凝血方面具备85％的活性。

此外，海藻糖还可以保护疫苗制剂和包裹治疗药物的合成性脂质体，使它们能够经过干燥变成粉末，易于在室温下保存。这些粉末非常稳定，可以被运往世界上那些曾因没有冰箱而无法开展免疫接种的地区。

基于克劳和他的研究团队的先驱性工作，现在有许多实验室和公司正在尝试制备其他类型的冻干细胞，包括红细胞、骨髓和其他干细胞，以及能在室温下维持稳定的蛋白制剂、疫苗和药物。

谁能想到这项卓越的医疗研究及其对人类福祉的贡献都是源于一位高中生对微小的水熊虫的执着！他把自己的一生都贡献给了这项研究——一滴水就是这样让生命复苏。