科學新知/最強生命水熊蟲 原來是個DNA大盜

水熊蟲。

世界上生命力最強的動物有哪些?也許大家會想到『小強』蟑螂。實際上,地球上生活著比蟑螂更為強悍的動物,那就是被稱為自然界最偉大幸存者的水熊蟲。現在,牠除了以強悍的生命力著稱以外,科學家發現,牠還是偷走其他生物DNA的『大盜賊』。

強悍的生命

根據驅動之家報導,水熊蟲是屬於緩步動物門的一類小型動物的俗稱,因為牠們看起來像多腿、可愛又笨拙的小熊。有記錄的水熊蟲種類大約900種,牠們很小,體長一般在1公釐左右。

牠們的生活範圍極廣,似乎在哪兒都能找到這類動物的身影。牠們生活在每一個大陸,從你家的後院到幾乎沒有人類足跡的南極洲,從最深的海洋到最熱的沙漠,甚至是在喜馬拉雅山脈的頂部(6000公尺以上)。

儘管牠們體型微小,卻很難死掉。牠們能夠承受極其惡劣的環境,不管是接近絕對零度的極端寒冷的溫度(-273℃)還是超過水沸騰的溫度(151℃)。有研究顯示,水熊蟲可以在絕對乾燥環境中生存1到10年之久。

2013年,歐洲宇航局曾利用無人太空船, 將這種古怪又強悍的生物送入太空,進行長達10天的太空之旅,但科學家並不是讓牠們待在太空艙的內部,而是直接將牠們暴露在艙外,置於太空輻射和低溫環境中,從而測試牠們的生命力。

結果水熊蟲的生命力令人震驚,其中一些竟然能在低溫真空和太陽輻射雙重嚴苛的考驗下幸存下來,並且在回到地球後重新開始繁殖後代。牠們是已知的唯一一種能在太空真空環境生存下來的動物。

在乾燥狀態或環境惡化時,水熊蟲的身體會縮成圓桶形,自動脫水,靜靜地忍耐蟄伏(隱生現象),這個絕招能把生命代謝放慢到幾乎停止的程度。

進入休眠狀態時,牠的身體含水量可以降到僅僅3%這樣一種極端的『脫水狀態』。待環境好轉後,身體含水量上升,水熊蟲又能『復生』。有記錄表明,水熊蟲最長隱生的壽命超過120年。

生物界的大盜

研究人員想要揭示水熊蟲在極端環境下的生存策略,就要研究水熊蟲的基因組,因此,要對水熊蟲的每一個基因都進行分類。結果,科學家發現水熊蟲具有另一個非同尋常的特點:牠們不是從自己祖先那裡繼承所有基因,其中將近17.5% 的基因組是由外源DNA構成。

能夠獲得如此多的外源基因,使水熊蟲成為動物界『偷取DNA』的頭號盜賊。其實,我們可以想像到,正是這種奇怪的遺傳物質混搭法,才使水熊蟲能以更複雜的方式生長和發育。

但奇怪的是,許多基因看起來並不像是動物的基因。科學家最初以為是樣本被污染了,但經過反覆、仔細的檢查和實驗,並重建生物祖先的特定基因序列後,科學家證實了看起來像外來基因的基因,確實不是水熊蟲自己『開發』而來,也不是從別的動物那裡偷來的,而是從非動物那裡挪過來的(植物、細菌、真菌和古生菌),水熊蟲體內高達六分之一的遺傳物質,都是來自於這些毫不相干的植物和微生物。

那些奇怪的遺傳物質大部分都源自於細菌,而且還出現在水熊蟲的遺傳表達中。研究人員發現,在某些情況下,外源基因已經取代了水熊蟲某些本身的基因,而水熊蟲身上沒有被取代的基因,雖然還保持自己的功能,但也合並了一種或幾種細菌的單個或多個遺傳物質片段。

因此研究者推測,偷取別人基因這件事,並不是一次性發生的,而是在進化過程中不斷持續地發生的,甚至時至今日,水熊蟲依然在盜取其他生物的基因。

如何偷取?

那麼,水熊蟲這個大盜賊是如何將外來基因收為己有的呢?

很早之前,科學家們就已經知道,細菌和其他微生物可以水平基因轉移,也就是遺傳物質能夠在不相關的物種之間進行交換。但科學家最近才開始意識到,這種遺傳發育的方法也可以發生在動物身上。

相比於水熊蟲,其他動物的基因組包含的『異物』很少(人類也有外源基因,但非常有限,主要透過轉座子和病毒獲得)。之前,微小的水生動物——輪蟲,是具有最多外源DNA的記錄保持者,為8%至9%。而現在水熊蟲後來居上了。

我們之前就提到,水熊蟲有一種特殊的能力:當遭遇極其惡劣的環境時,會慢慢失水變乾,但當有適合的生存條件時,牠又會甦醒。研究人員懷疑可能正是這種能力,在『盜取」他人基因中發揮作用。當水熊蟲變乾,牠們的基因組會斷裂。

當補充水分後,水熊蟲細胞的細胞膜仍然會保持一段時間的『洩漏』狀態,當細胞快速地修復自己受損的DNA時,可能會將外界環境中的某些DNA帶到細胞中,嵌入自己的基因組中。

所以,脫水乾燥、細胞膜『洩漏』和DNA斷裂之間存在的關係,可能是水熊蟲成為『大盜賊』的重要幕後推手。對於水熊蟲那些優越的生存技能來說,這些大量的外源基因可能起著非常重要的作用。因為如果水熊蟲們從能忍耐嚴苛環境的生物那裡獲得了DNA,那麼牠們可能因此獲得忍耐嚴苛環境的能力。也就是說,從細菌、真菌和植物盜取來的外來基因,可能已經賦予水熊蟲能在沸水、冷凍環境,甚至是宇宙真空條件下生存的能力。

關於水熊蟲是如何設法湊齊這麼多外源遺傳物質的,進一步的研究仍在進行之中。研究人員表示,在未來,水熊蟲基因的研究可能會有助於藥品、疫苗的開發,使疫苗不再需要低溫保存,甚至可以當場脫水變乾和復活,這對偏遠的農村診所或危機地帶(戰爭區)來說,可以稱得上是個絕對的福音。