張嘉卉 林泳許 何枝芳 肖義軍*

(1福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福州 350108； 2福建師范大學(xué)附屬中學(xué) 福州 350007)

緩步動(dòng)物俗稱“水熊蟲”，是一類特化的微型多細(xì)胞無(wú)脊椎后生動(dòng)物。它的體長(zhǎng)一般只有0.1～1.0 mm，身體由一明顯的頭節(jié)和4個(gè)分界不明顯的軀干“體節(jié)”組成，兩側(cè)對(duì)稱，具有4對(duì)腿，腿的末端是爪，通過(guò)爬行和匍匐緩慢運(yùn)動(dòng)，形態(tài)像熊，憨態(tài)可掬[1]。緩步動(dòng)物分布范圍廣，喜好在淡水的沉渣、潮濕的土壤以及苔蘚植物的水膜中生活，甚至在我們身邊的一處石頭底下也有可能發(fā)現(xiàn)其身影。這類動(dòng)物之所以號(hào)稱“生命之最”，是因?yàn)榫哂歇?dú)特的隱生現(xiàn)象，即能夠?qū)⒆约旱纳眢w變成桶狀并進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而獲得驚人的抗逆性而得以抵御環(huán)境的脅迫，使生命延長(zhǎng)，甚至“死而復(fù)生”。這樣的“絕技”使緩步動(dòng)物不懼惡劣的環(huán)境條件，能在高溫(高達(dá)151℃)、近乎絕對(duì)零度(-273.15℃)、高輻射、高真空或高壓的環(huán)境中頑強(qiáng)地生活[2]。緩步動(dòng)物的隱生現(xiàn)象一直是研究熱點(diǎn)，闡明其機(jī)理可以為生物材料的保存技術(shù)以及航天生物技術(shù)等帶來(lái)許多有益的啟示。

1 緩步動(dòng)物的隱生現(xiàn)象及其種類

1.1 緩步動(dòng)物的隱生現(xiàn)象 緩步動(dòng)物保持“不死”性的原因是隱生現(xiàn)象，即讓自己成為一種“潛在的生命”，是一種休眠形式。Keilin[3]把這種休眠狀態(tài)定義為隱生。在隱生狀態(tài)下，緩步動(dòng)物出現(xiàn)新陳代謝活動(dòng)減弱甚至?xí)和５纳鼱顟B(tài)來(lái)抵御不良環(huán)境，之后恢復(fù)適宜的生存條件，即可“復(fù)活”。

1.2 緩步動(dòng)物的隱生種類 學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為緩步動(dòng)物具有4種隱生形式，即低濕隱生、低溫隱生、高壓隱生和低氧隱生。

1.2.1 低濕隱生 是指因周圍環(huán)境的水分缺失，促使緩步動(dòng)物身體變成桶狀的一種隱生狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境干燥時(shí)，緩步動(dòng)物的身體含水量可從80%下降至3%，進(jìn)而萎縮而使其代謝幾乎降到零，同時(shí)將腿縮回，讓其整個(gè)身體形成桶狀。當(dāng)環(huán)境變得有利生存時(shí), 它可以在很短的時(shí)間內(nèi)吸水,使身體膨脹而復(fù)蘇。已有實(shí)驗(yàn)證明，低濕隱生時(shí)的緩步動(dòng)物能夠耐受活躍狀態(tài)的個(gè)體所不能忍受的環(huán)境, 如真空、X 射線、紫外輻射和超低溫等。

1.2.2 低溫隱生 低溫環(huán)境會(huì)引發(fā)低溫隱生狀態(tài)。生活在極地的物種依靠分泌防凍蛋白使自己體內(nèi)不會(huì)冰凍，但與此不同的是緩步動(dòng)物允許其體內(nèi)結(jié)冰。1975年Crowe[4]將活動(dòng)狀態(tài)的緩步動(dòng)物Macrobiotusareolatus放到-20℃的2 mL水中，所有實(shí)驗(yàn)緩步動(dòng)物立刻進(jìn)入低溫隱生狀態(tài)，用4℃的水解凍1min后，80%的緩步動(dòng)物成功蘇醒。Crowe[5]的研究表明，低濕隱生時(shí)細(xì)胞內(nèi)的水分通過(guò)干燥而消失, 而低溫隱生時(shí)緩步動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)75%的水以冰凍狀態(tài)存在，是一種有一定限度的胞外結(jié)冰方式。具體而言，在細(xì)胞外液快達(dá)到冰點(diǎn)時(shí)，細(xì)胞通過(guò)產(chǎn)生冰成核劑(ice-nucleating agents)促使細(xì)胞外液凍結(jié)，因結(jié)冰的速度較慢，其中發(fā)生的生物化學(xué)過(guò)程可以得到很好的調(diào)控，同時(shí)在此過(guò)程中，個(gè)體也能夠承受冰凍帶來(lái)的細(xì)微傷害。由此認(rèn)為，緩步動(dòng)物可作為冷凍劑材料，用于冷凍食品和醫(yī)療藥品，達(dá)到保鮮的效果。

1.2.3 高壓隱生 高壓隱生的促發(fā)因素是水環(huán)境中的滲透壓，滲透壓的升高也能刺激緩步動(dòng)物身體形成桶狀。中等鹽度溶液下，隨浸沒(méi)時(shí)間的延長(zhǎng)，緩步動(dòng)物的活動(dòng)能力逐漸減弱，較高鹽度則在數(shù)十分鐘內(nèi)就可將緩步動(dòng)物致死。把經(jīng)歷過(guò)鹽度處理的緩步動(dòng)物置于清水中，仍需要一定的時(shí)間維持桶狀，且復(fù)蘇時(shí)間隨著處理鹽度的增大而延長(zhǎng)。

1.2.4 低氧隱生 低氧隱生不形成桶狀，它是指緩步動(dòng)物的身體因所處水環(huán)境中氧分壓的降低而膨脹伸展的一種隱生狀態(tài)。當(dāng)周圍氧氣低于一個(gè)閾值時(shí)，緩步動(dòng)物像經(jīng)歷一個(gè)氣球的充氣過(guò)程，首先將身體收縮，到達(dá)極限后開始伸展到最大狀態(tài)而窒息。潮間帶的緩步動(dòng)物Echiniscoidesspp.能夠在裝有腐爛藤壺的小瓶中存活6個(gè)月，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，緩步動(dòng)物水生種類在窒息狀態(tài)下僅能存活幾小時(shí)至3 d[6]。低氧隱生狀態(tài)下緩步動(dòng)物新陳代謝的具體情況還不明確。

2 緩步動(dòng)物隱生現(xiàn)象的機(jī)制

緩步動(dòng)物的隱生現(xiàn)象經(jīng)歷特定的過(guò)程而實(shí)現(xiàn)，包括一系列形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)和生理學(xué)的步驟，這些變化最終都可減小或者避免惡劣環(huán)境因子對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的損壞[5]。目前，國(guó)外研究對(duì)隱身現(xiàn)象的機(jī)制有兩種假說(shuō)：其中一個(gè)叫做水替代假說(shuō)(water replacement hypothesis)[7，8]，它推測(cè)細(xì)胞內(nèi)有與細(xì)胞膜相溶的溶質(zhì)積累，如海藻糖。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為，構(gòu)成細(xì)胞膜的生物大分子表面存在一層水膜，這層水膜可以保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)不受損害。由于環(huán)境脅迫導(dǎo)致細(xì)胞失水而使水膜消失，從而使蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和糖類分子遭到破壞。海藻糖則能通過(guò)H鍵與這些分子的受損部位結(jié)合，從而使細(xì)胞膜恢復(fù)活性。然而，有實(shí)驗(yàn)證明，檢測(cè)到幾種緩步動(dòng)物的海藻糖含量?jī)H為自身干重的2.3%，這與其他脫水動(dòng)物相比顯得相當(dāng)?shù)?，所以海藻糖可能并不是緩步?dòng)物隱生現(xiàn)象的主要的作用機(jī)制。另外一個(gè)是玻璃化假說(shuō)(vitrification hypothesis)[7，8]。該假說(shuō)則認(rèn)為當(dāng)細(xì)胞干燥時(shí)，海藻糖與相鄰近分子緊密結(jié)合，形成一種非晶狀糖玻璃態(tài)物質(zhì)，這種物質(zhì)在細(xì)胞脫水達(dá)到極限時(shí)促使分子固定化，從而保護(hù)蛋白質(zhì)和生物膜系統(tǒng)不受損壞。除了這兩種假說(shuō)外，還有人認(rèn)為緩步動(dòng)物體內(nèi)可能還存在某種蛋白質(zhì)，例如，應(yīng)激蛋白和胚胎發(fā)育晚期的蛋白質(zhì)(已見于線蟲和某些耐干旱植物的種子)也能夠修復(fù)細(xì)胞失水后的分子損傷。

Wang C等[9]對(duì)陸生沼澤緩步動(dòng)物Milnesiumtardigradum的脫水、桶狀化和水合化過(guò)程的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄物834和184在整個(gè)過(guò)程(脫水、桶狀和水合化)中的兩個(gè)階段表達(dá)是重疊的，而轉(zhuǎn)錄物74在所有三個(gè)階段都有表達(dá)。這些表達(dá)中有關(guān)DNA復(fù)制、翻譯和蛋白質(zhì)降解的蛋白質(zhì)均下調(diào)，熱休克蛋白Hsp27和Hsp30c的表達(dá)上調(diào)。這項(xiàng)研究證明，緩步動(dòng)物轉(zhuǎn)錄組中的確存在著具有保護(hù)細(xì)胞功能的基因，從而產(chǎn)生一種協(xié)同刺激分子來(lái)適應(yīng)緩步動(dòng)物所處的這種極端狀態(tài)?？梢酝茢?，隱生功能是通過(guò)由分子構(gòu)成的細(xì)胞保護(hù)系統(tǒng)和一些其他機(jī)制(如細(xì)胞再生修復(fù))協(xié)同作用，來(lái)實(shí)現(xiàn)抗逆性的。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于緩步動(dòng)物能表現(xiàn)出驚人的抗逆性，充分認(rèn)識(shí)和運(yùn)用緩步動(dòng)物隱生現(xiàn)象及其機(jī)制，在作為科學(xué)研究的模式動(dòng)物、探索生物材料保存技術(shù)和航天領(lǐng)域等方面具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用潛力。首先，作為科學(xué)研究的模式動(dòng)物，緩步動(dòng)物不僅僅可用來(lái)研究自身個(gè)體的發(fā)育進(jìn)化和隱身機(jī)制，也可用來(lái)提供動(dòng)物抵御脅迫環(huán)境的反饋信息。其次，海藻糖及其他一些還未經(jīng)鑒別的特性生物分子可幫助人們開發(fā)新的材料和技術(shù)，用于食物加工和醫(yī)療保障。最后，可以設(shè)想利用緩步動(dòng)物充當(dāng)先鋒動(dòng)物去探索宇宙環(huán)境，揭秘更多宇宙的奧秘以及生命在宇宙中生存的可能性，讓緩步動(dòng)物為實(shí)現(xiàn)人類星際旅行的夢(mèng)想作貢獻(xiàn)。