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“杀不死”的水熊虫竟是个基因“小偷”?

作者:佚名    来源:网络    发布日期:2016-01-25    点击:次    【字号:    

水熊虫的“口针”可以吸取藻类营养

当周围环境严酷,水熊虫就排出水分变得干瘪皱缩。

水熊虫外形
    小说《三体》中,遇到不适合生存的乱纪元时,三体人便会大喊一声“脱水”,进入休眠,等到相对温和的时期再浸泡复苏。现实动物世界中,缓步动物水熊虫也拥有类似的“隐生”能力。不仅如此,它还是一种生命力超强的动物,在“隐生”状态下,水熊虫的生存范围包含绝对零度到沸点,且能承受极大的压力或辐射,在没有水和食物的情况下可以保持活性超过十年,它甚至是唯一能在残酷的太空环境中活下来的动物。几乎可以说,水熊虫是无法被杀死的。近日,美国科学家首次对水熊虫的全部基因进行测序,发现这种奇怪的微型生物体内有六分之一的基因“偷”自其它物种,这很可能是水熊虫生命力如此之强的原因。
  [生存能力超强:脱水十年也能复苏]
  我们经常说“杀不死的小强”,实际上,蟑螂比起水熊虫来,简直是小巫见大巫。作为世界上生命力最强的生物之一,水熊虫可以追溯到5亿年前的寒武纪,经过漫长的进化,水熊虫体型变得极小,介于50微米~1.4毫米,拥有八条圆乎乎的胖腿,周身覆盖一层水膜,在显微镜下可以看到它们憨态可掬地爬动前行。水熊虫虽小,但从巍峨高山到无尽深海,从汩汩热泉到南极冰层,处处都有它们的身影,甚至真空状态下,它们还能正常产卵。
  当周边环境变得严酷时,水熊虫就会进入一种近乎“无敌”的状态来——将八条腿蜷缩起来,圆乎乎的身体变得干瘪皱缩,排出体内几乎所有水分,这是一种名为“隐生盏”的干壳状态,一切新陈代谢几乎停止,好比“假死”状态。
  这种情况与像科幻小说《三体》中的设定奇妙吻合,同样的,只要环境适宜,把水加回去,水熊虫就能像三体人一样复生,用它名为“口针”的特殊口器刺穿藻类等生物,吸取里面的营养,再度复活。虽然它的名字中带“熊”,但跟一般的熊类不同,这种脱水“冬眠”并不是只睡一个冬天,已有实验证明,水熊虫脱水至少十年后还能照常复苏。
  水熊虫也有致命的弱点,“不耐机械损伤”,也就是说你可以轻易捏死它们,但其他附带的“种族生存优势”仍令人刮目相看。近日,美国北卡罗来纳大学的一项新研究显示:水熊虫的“脱水”能力可能导致它从细菌和其他生物体中吸收外源基因,从而拥有了如此多的生存技能。该研究发表于《美国国家科学院院报》。
  [无敌耐受能力:与“偷”来的基因有关]
  为了进一步了解水熊虫的“超能力”,美国北卡罗来纳大学的研究人员托马斯·布思比和团队近日进行全世界首次水熊虫基因组测序,得出的结论令人吃惊——水熊虫约有6000种基因来自其他物种,包括细菌、古菌、真菌和植物。外源基因占它基因总数目的约六分之一。
  一开始,托马斯看到数据中满是来自细菌和其他生物体的基因时,“团队人员都以为是污染。”他说。他们猜测,也许是微生物混入了样本,导致它们的DNA掺进了水熊虫的基因组中。但很快,研究小组就排除了这种意外。
  于是,托马斯团队做出如此解释:通过脱水,水熊虫反而变成了一块能吸水的“海绵”——只不过,它吸收的是外源基因。这种“基因水平转移”情况对于细菌来说并不罕见,它们交换基因就跟人类收发电子邮件般容易。但之前的研究认为,“基因水平转移”在动物中非常罕见。
  那么,这些外来基因起初是怎么进入水熊虫基因组的呢?托马斯认为,答案就隐藏在水熊虫的三个怪诞的生物学特性中。首先,它们能脱水,在这一过程中,它们的DNA分子会自然地断裂成小段;其次,它们能通过吸水重获新生,在这个过程中,细胞变得千疮百孔,因而能够从环境中吸收包括DNA在内的各种分子;最后,它们非常擅长修复DNA,修补脱水造成的损伤。
  这些基因有功能吗?目前,研究小组发现水熊虫启动了一些“偷“来的基因,在原本的生物体中,这些基因与对抗环境压力相关。因此他们推测,水熊虫传奇般的耐受能力可能与外来基因本身的特殊功能有关。目前,北卡罗来纳大学的研究者正在计划逐步灭活水熊虫的外源基因,看它们是否会失去那传奇般的无敌能力。
  [“外源基因捕获系统”:是神秘“造物主”]
  对此,中山大学生命科学学院艾云灿教授解释道,像水熊虫这种捕获外源基因的行为,可以归为基因水平转移(HGT),相对于垂直基因转移(亲代传递给子代)来说,它打破了亲缘关系的界限,使基因流动的可能性变得更为复杂。
  艾教授说:“基因水平转移不仅局限于微生物细菌之间,同时也在许多动物的进化中起到了重要作用,已发现的基因转移可发生于细菌与高等生物,甚至是高等生物之间。”他指出,单是人类基因组中,就大约有10%的基因来自细菌。
  据艾教授说,生物体普遍存在着“外源基因捕获系统”。在漫长的生物进化过程中,细菌和病毒作为地球上最早诞生的生命体,在生物体基因组的起源、发育、分化过程中扮演着“始作俑者”和供给者的角色。经过阶段性的基因交换、融合,最终形成了生物的多样性。
  而外源基因被捕获后,大多数是带着“功效”来的。艾云灿指出,由于生物的自然选择适应性,被捕获的外源基因在被表达后,通常会在新宿主中体现出原有的功能,赋予新宿主“超能力”,比如发光、抗逆等等。
  随着科学发展,越来越多动物基因水平转移的例子开始被发现——蜱虫拥有来自细菌的制造抗生素的基因,能抵抗农药杀害;蚜虫从真菌那儿偷来了显色基因,让自己变得红彤彤的;黄蜂把病毒基因化为自己的生物武器,控制寄主瓢虫作为保护后代的“保镖”;粉蚧壳虫利用多种微生物基因来改善伙食,自己动手丰衣足食,能制造重要的营养物质,如氨基酸;还有一类被形象地称为“空间侵略者”的基因,不断地在蜥蜴、蛙类、啮齿类以及其他动物间转移。
  虽然目前人类看似没有因为基因水平转移获得明显的“特异功能”,蜘蛛侠也只存在于电影中,但无可否认,外源基因捕获系统一直在默默地支持着我们逐步进化。
  [惊天逆转:谁的实验更靠谱?]
  不过,仅仅在美国北卡罗来纳大学的研究发表一周后,他们的观点就受到了质疑。英国爱丁堡大学的研究小组也对同种水熊虫进行了基因组测序,他们的实验结果却大相径庭:结果表明水熊虫中只找到了极少量的水平转移基因,少至仅仅36个,最多也就500个,对动物基因组来说,这个数目在正常范围内。因此他们认为,北卡小组的测序和分析发生了错误,误将跟水熊虫一起生活的细菌基因统计进去。
  之所以会出现这样的争论,是因为到目前为止,科学家还没有能够连续测序基因组的技术,所以他们得将DNA打碎,再测序这些DNA片段,并将这些测序片段组装成连续的完整基因组。在这个过程中,爱丁堡小组发现有些测序片段数量尤其罕见,而另一些测序片段的数量却高达它们的10倍。对此,艾云灿教授的看法是,从生物学上来看,差异如此大的这些片段不太可能来自同一个基因组。
  艾教授说:“爱丁堡小组的论文分析更充分,结论更合理,而北卡小组的论文存在技术熟练度不够的问题。比如,怎样区别和排除水熊虫样品中污染了的细菌,或者是水熊虫捕食了海藻真菌、感染了病毒等,这些都没有明确交待。在数据分析和验证阶段,实验设计也欠严谨,在6600多个可疑目标序列中,只选取其中107个可疑目标序列做初步分析,还仅仅做PCR扩增获得片段,却没有做进一步序列测定分析和验证。” 他指出,出现这种不严谨的情况,不排除由于过度竞争所导致的急于求成压力,进而造成科学质量问题,这也是科学工作者们在今后工作中应当引以为戒的方面。
  虽然北卡与爱丁堡之争尚未有定论,但无论如何,水熊虫极强的生存能力跟它的基因多样性存在必然关联。也许未来的某一天,当科技发展到可以清楚破解水熊虫“生存密码”时,人类就能够借鉴其原理,在疫苗保持长久活性和人体冷冻复苏各方面进行开发应用。

 
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