導讀：
水熊蟲為何可以脫水存活，而後遇水復活？關於這個問題，科學界在實驗與思想上進行了多次交鋒，但答案懸而未決。
撰文丨王志榮
責編丨陳曉雪
近日熱播的科幻電視劇《三體》中，受到嚴酷環境考驗的三體人喊出「我脫水！」後，身體便震顫著迸出水分，化為一副可以捲起的皮囊，方便同伴攜帶，也方便集中儲藏，令人感到驚奇而震撼。待到恆紀元時環境適宜，大王一聲令下，乾枯的軀體傾瀉入水，在生命之泉的充盈中紛紛復活。
三體人浸泡在水中後復活。圖源：《三體》，騰訊視頻
類似三體人如此脫水而後浸水復活，在生物學上是可能的嗎？
答案是肯定的。實際上，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，度過嚴酷環境——這便是名聲在外的水熊蟲。
SAIXIANSHENG
神奇的水熊蟲
水熊蟲是緩步動物門的一種微小生物，成體只有大約0.5毫米的長度，不藉助顯微鏡的情況下，幾乎難以用裸眼分辨。目前已知有1380種水熊蟲種類，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，關鍵是都離不開水。
圖源：參考文獻[5]
上圖正是爬行的水熊蟲，通體透明。水熊蟲乍一看像個米其林輪胎吉祥物，或者胖乎乎的小熊，有四對八隻矮胖的足以及末端的小爪子。1773年德國動物學家Johann
August Ephraim Goeze給這種動物起名「小水熊」。
兩隻正常狀態下的水熊蟲。圖源：參考文獻[4]
水熊蟲在極端環境下，脫掉全身絕大部分的水分，便可在極寒、極熱、乾燥、高壓、缺氧、甚至真空宇宙射線中存活下來。科學家們猜測：是否存在一種保物質，在水熊蟲遭遇極端環境後會被激活，保護它們體內失掉水分的細胞。
與嗜熱菌之類的嗜極端生物不同，水熊蟲並不是適應在極端環境中穩定生活，而是動用渾身資源去經受極端考驗；就像三體人在亂紀元脫水只是求生，等待恆紀元生產發展。所以，一個合理的猜測是在脫水狀態下保護水熊蟲的物質平時不需要；當嚴酷環境到來才被製造出來——即編碼這種蛋白質的基因在關鍵時刻特異性地提高了表達量。
SAIXIANSHENG
發現水熊蟲的秘密？
2017年，美國科學家Bob Goldstein實驗室發現，一類在水熊蟲乾燥脫水過程中才特異性高表達的CAHS蛋白（cytosolic-abundant, heat-soluble proteins）可能是答案。
他們發現，當外界環境惡化時，水熊蟲體內的CAHS基因表達就會升高，從而確保水熊蟲進入脫水的保護狀態。當然，這並不表明環境惡化與CAHS基因表達高之間存在因果關係，說不定只是時間上相關而已。
所幸在水熊蟲上還有一些驗證基因功能的工具。
驗證生物學上的因果關係講究既要有「必要性」（沒有不行），也要有「充分性」（加到別處也行）。Goldstein實驗室通過用RNA干擾的方法降低一部分CAHS基因的表達量，發現水熊蟲的存活能力顯著下降，這說明CAHS蛋白確實不可或缺；而通過在酵母、細菌這些本來沒有CAHS基因的細胞中加入這些基因，這些單細胞生物就獲得了更強地在乾旱中存活的能力。乳酸脫羥酶在乾燥環境下會降低到1%的酶活性，而混入CAHS蛋白後就可以保護酶活性不受破壞。也就是說，CAHS蛋白給其他蛋白或者細胞穿上了一層抵抗乾燥脫水的「保護衣」。
那麼，水熊蟲脫水後穿上「保護衣」的過程是什麼樣呢？
Goldstein實驗室認為，水熊蟲在乾燥脫水的過程中形成非晶態固體，好像水快速冷卻的過程中沒有冰晶的形成，從而達到透明似玻璃的固體狀態，保存了細胞中蛋白質和脂質膜的結構，也就是「玻璃化」。水熊蟲在脫水的過程中，CAHS蛋白也會玻璃化，參與保護。當然這種保護是有限度的，如果環境溫度過高，超過了「玻璃轉化溫度」（指玻璃態物質從玻璃態轉化成高彈態的溫度），玻璃化就遭到了破壞，類似結晶固體越過了熔點從而變成了液態。不論是在水熊蟲還是在單細胞酵母中，當環境溫度超過了CAHS蛋白的玻璃轉化溫度，保護力被破壞，生物也無法存活。
SAIXIANSHENG
答案靠譜嗎？
這是否意味著，水熊蟲脫水後復活的秘密武器就這樣揭曉了？
四年後，兩位日本科學家給雜誌社寫信，質疑Bob Goldstein實驗室在2017年的文章。質疑點主要是在論文最後的「玻璃化」理論。他們認為，原文中用差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry）測量出的玻璃轉化溫度來反映玻璃化的性質，並不是CAHS這種蛋白所特有的，很多體內的蛋白質（例如人生長激素或者牛血清白蛋白）或者體外蛋白質（例如蠶絲或者蜘蛛絲）也可以，所以不能說CAHS蛋白可以玻璃化就能保護脫水的水熊蟲。
原論文作者則回應稱，這個反駁有些站不住腳，因為展示出類似理化性質的物質不一定就要行使同樣的生物學功能，並且考慮到微環境中其他成分，變數就會更大，CAHS蛋白大概只是參與保護的一種重要組分，而非唯一因素。也就是說，脫水水熊蟲的玻璃轉化溫度不一定是CAHS蛋白和其他保護成分的玻璃轉化溫度的線性疊加。
實驗方面，兩位日本科學家質疑的內容為兩部分，一是檢測CAHS蛋白玻璃化，二是檢測水熊蟲玻璃化，焦點都在樣品的含水量。由於測量過程中使用的溫度會逐漸上升到200攝氏度，固態樣品中殘留的水分子會蒸發從而影響數據曲線的讀數。他們重複了2017年文章中的實驗並且加入了一種監測升溫過程中質量變化的指標，發現如果提純的CAHS蛋白樣品徹底烘乾後，玻璃轉化溫度就不復存在了。不過，含有水分的CAHS蛋白樣品數據和Bob Goldstein實驗室的論文是一致的。指出含水量這個參數非常有意義，因為這是實驗條件中差異巨大的一點，需要嚴格控制。平時天氣預報中常說的空氣濕度是個相對百分比，常見的實驗室濕度大約在35%左右，而對於生活在極度潮濕環境中的水熊蟲，95%的濕度就已經算是緩慢的乾燥刺激了，70%就是比較致命的速干刺激。
對於水熊蟲玻璃化的的測試，日本科學家們未能重複出原文結果，因為沒有看到明顯的玻璃轉化溫度。他們向原作者要來了原始數據進行分析後，認為原文中報導的98攝氏度的玻璃轉化溫度是讀數曲線中微不足道的一個小噪音導致的，並不可靠。
左圖為2017年文章的原始報導，灰色陰影指示玻璃化溫度。右圖為2021年日本科學家對原始數據的重新分析，紅色箭頭所指為原文中報導的玻璃轉化溫度。注意縱軸的尺度。相比與被省略掉的更高溫度區間中的巨大變化，98攝氏度左右的溫度波動顯得有些不值一提。圖源：參考文獻[2]
這多少是在暗示原作者有操縱數據的嫌疑。因為在原文的實驗條件下，用特定的水熊蟲類型，乾燥的水熊蟲存活率在外界溫度加熱到90多攝氏度的時候就會斷崖式下降。選取98攝氏度左右這個玻璃轉化溫度似乎可以對應上存活率暴跌的溫度，從而加強玻璃化和脫水保護之間的相關性。
2017年文章中未脫水和脫水後水熊蟲隨溫度變化的生存曲線，灰色縱向陰影指示測量出的水熊蟲玻璃轉化溫度。圖源：參考文獻[1]
原作者們在收到了挑戰信之後，針鋒相對做了回復。對於檢驗水熊蟲的玻璃化，他們認為日本科學家的重複實驗樣本量不足，使用的乾燥條件不同，沒有對照實驗證明脫水的水熊蟲後來可以復活。
對於CAHS蛋白玻璃化的檢驗，原作者也要來了日本科學家的實驗數據進行了重新分析和作圖。通過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驗中含有一定水分的蛋白樣品，都出現了玻璃轉化溫度。而且已知完全乾燥的樣品會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量範圍也解釋得通。這樣就反駁了日本科學家——他們認為完全乾燥樣品不出現玻璃轉化溫度，CAHS蛋白玻璃化的結果是其中含水量造成的錯覺。由於對這樣的測量結果沒有嚴格統一的統計學上檢測顯著的標準，無法準確定義一個玻璃轉化溫度，所以雙方各執己見，無法達成一致。
左圖為2021年日本科學家進行的重複實驗數據，右圖為2021年美國科學家對左圖數據進行的重新分析。注意縱軸的尺度。圖源：參考文獻[3]
水熊蟲為何可以脫水存活，而後遇水復活？總結一下，美日兩國科學家都同意水分在其中起到複雜而重要的作用，但水是因還是果，以及CAHS蛋白的玻璃化進而保護脫水的水熊蟲還需要謹慎的實驗和仔細的考量。CAHS蛋白或者玻璃化也明顯不是唯一解，是否和其他的保護成分一起作用，還有待更多探索。
參考文獻
1.Boothby, Thomas C et al. 「Tardigrades Use Intrinsically Disordered Proteins to Survive Desiccation.」Molecular cell vol. 65,6 (2017): 975-984.e5.
2.Arakawa, Kazuharu, and Keiji Numata. 「Reconsidering the "glass transition" hypothesis of intrinsically unstructured CAHS proteins in desiccation tolerance of tardigrades.」Molecular cell vol. 81,3 (2021): 409-410.
3.Boothby, Thomas C. 「Water content influences the vitrified properties of CAHS proteins.」Molecular cell vol. 81,3 (2021): 411-413.
4.Gabriel, Willow N et al.「The tardigrade Hypsibius dujardini, a new model for studying the evolution of development.」 Developmental biology vol. 312,2 (2007): 545-59.
5.Goldstein, Bob. 「Tardigrades and their emergence as model organisms.」 Current topics in developmental biology vol. 147 (2022): 173-198.
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來源：賽先生
編輯：利有攸往