凱斯·庫(kù)珀+梁炳鑫

生命能夠克服多種極端環(huán)境來(lái)保證生存，甚至進(jìn)行繁衍，這其中就包括高濃度鹽池，以及熱液噴口的高溫環(huán)境。最新研究顯示，生命同樣可以適應(yīng)太空中的微重力環(huán)境。

休斯敦大學(xué)的研究者使用兩株幾乎完全相同的非病原性大腸桿菌來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。大腸桿菌屬于動(dòng)物腸道的常見細(xì)菌。實(shí)驗(yàn)人員讓培養(yǎng)瓶中的大腸桿菌菌株NCM520在正常地球重力條件下生長(zhǎng)，另一菌株MG1655則被放置在從約翰遜航天中心租借來(lái)的特殊儀器中，該儀器可以模擬微重力環(huán)境。這臺(tái)儀器配備有旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器（HARV），該反應(yīng)器尺寸很小，可以放在手掌上，并且以低轉(zhuǎn)速在儀器側(cè)面旋轉(zhuǎn)，因此流體介質(zhì)中的微生物會(huì)在自由落體狀態(tài)中生長(zhǎng)。

在HARV中繁殖了1000個(gè)世代之后，大腸桿菌菌株MG1655的生長(zhǎng)以3∶1的比率超越了在正常重力下生長(zhǎng)的對(duì)照組菌株NCM520，傳代培養(yǎng)長(zhǎng)度超過(guò)了以往任何使用細(xì)菌的研究。

休斯敦大學(xué)微生物學(xué)家、研究項(xiàng)目帶頭人馬丹·蒂努馬萊說(shuō)：“在地球上模擬微重力環(huán)境以進(jìn)行研究，對(duì)深入了解微生物在太空中的生存圖景至關(guān)重要?！?/p>

蒂努馬萊的研究團(tuán)隊(duì)想要知道這種對(duì)微重力的適應(yīng)發(fā)生在遺傳層面還是生理層面。打個(gè)比方，嚴(yán)寒地帶的人遷居赤道，他們會(huì)怎樣適應(yīng)溫度變化？如果他們回到原來(lái)居住的地方，這種適應(yīng)性會(huì)丟失嗎？如果適應(yīng)性丟失，就說(shuō)明變化來(lái)自生理層面，而非遺傳層面。

研究人員發(fā)現(xiàn)，72%的MG1655發(fā)生的適應(yīng)性變化在回到正常重力環(huán)境之后得到保留，并且在之后的10代至20代傳代培養(yǎng)中沒有丟失。研究人員據(jù)此推斷，雖然一部分變化來(lái)自生理層面，但回到地球重力環(huán)境后保留下來(lái)的變異來(lái)自遺傳層面，這種變異使適應(yīng)微重力環(huán)境的菌株與普通菌株相比具有了優(yōu)勢(shì)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MG1655中的16個(gè)基因發(fā)生了變異，其中包括5個(gè)與形成菌膜相關(guān)的基因，即surA、fimH、trkH、fhuA 和ygfK基因。菌膜是層狀的相互連接的細(xì)胞群，使養(yǎng)分能夠在細(xì)胞之間更好地分配，并有助于附著在固體表面。菌膜形成率提高對(duì)于細(xì)菌存活具有益處，并且作為一種微重力適應(yīng)性，似乎還能夠提升細(xì)菌在太空環(huán)境中的表面附著能力。

蒂努馬萊的研究對(duì)細(xì)菌在國(guó)際空間站內(nèi)的生存繁衍具有啟示作用，其他研究人員可以進(jìn)一步對(duì)細(xì)菌在其他地外環(huán)境中生存的可能性展開研究，例如類行星、彗星以及小型衛(wèi)星。

“把微生物放在任何一種極端條件下，或者一種新環(huán)境中，過(guò)一段時(shí)間，它就會(huì)開始產(chǎn)生某種方向的變異，幫助它獲得生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，以保證存活?！钡倥R萊說(shuō)。

得克薩斯州立大學(xué)的微生物學(xué)家羅伯特·麥克萊恩并沒有參與這項(xiàng)研究。不過(guò)他認(rèn)為，該研究成果代表了一種“實(shí)驗(yàn)進(jìn)化”：微生物菌株被施加環(huán)境壓力，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境的操縱下產(chǎn)生進(jìn)化。

“從我的角度來(lái)看，這項(xiàng)研究的意義在于在暴露于微重力環(huán)境下的大腸桿菌菌株中發(fā)現(xiàn)了之前未知的變異，”麥克萊恩說(shuō)，“這些變異是長(zhǎng)期性的，可以通過(guò)進(jìn)化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/09/06/fdts201709fdts20170916-1-l.jpg" style="">

健康風(fēng)險(xiǎn)

菌膜的生長(zhǎng)和微生物致病性之間也存在潛在聯(lián)系。雖然這項(xiàng)研究中使用的大腸桿菌菌株是非致病性的，但是在致病性菌株中，菌膜形成的相關(guān)基因和致病性相關(guān)基因緊密關(guān)聯(lián)，其中一組基因的變異會(huì)引發(fā)另一組基因變化。

“致病基因可能會(huì)發(fā)生選擇性變異，導(dǎo)致該菌株的毒性更強(qiáng)?！钡倥R萊說(shuō)。

另一個(gè)相關(guān)證據(jù)來(lái)自鼠傷寒沙門菌。維拉諾瓦大學(xué)遺傳學(xué)家詹姆斯·威爾遜主持的實(shí)驗(yàn)研究表明，暴露在微重力環(huán)境下之后，鼠傷寒沙門菌的致病性會(huì)增強(qiáng)。

“菌膜形成無(wú)論對(duì)微生物的繁殖還是致病性來(lái)說(shuō)，都至關(guān)重要?！钡倥R萊說(shuō)。

除了天體生物學(xué)方面的啟示外，這項(xiàng)研究還揭示了宇航員在空間站或者外太空旅行時(shí)面臨的問題。菌膜會(huì)污染水循環(huán)系統(tǒng)，而其增強(qiáng)的致病性也會(huì)給宇航員帶來(lái)健康隱患。然而，大腸桿菌和沙門氏菌在真實(shí)的太空環(huán)境中是否會(huì)產(chǎn)生這些作用，微重力是否真的會(huì)對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生此類影響，仍是一個(gè)尚待確證的問題。

“其他菌株和生物體可能會(huì)產(chǎn)生完全不同的行為?！丙溈巳R恩提示說(shuō)。

在太空中存活

假設(shè)其他細(xì)菌在微重力環(huán)境中的行為確實(shí)與大腸桿菌相類似，這對(duì)天體生物學(xué)來(lái)說(shuō)具有潛在的重大影響。有生源說(shuō)認(rèn)為生物材料可以在星體之間通過(guò)小行星和天體碎片進(jìn)行傳播，這就要求微生物能夠長(zhǎng)時(shí)間在太空中存活。天體發(fā)生撞擊之后，生命有可能由攜帶微生物的巖石碎塊送上太空。這樣一來(lái)，地球上的生命可能曾經(jīng)到達(dá)過(guò)火星；反過(guò)來(lái)也一樣，地球上的生命也可能來(lái)自火星，這些情況都是可能的。麥克萊恩認(rèn)為，生命要想在這一旅途中存活，必須首先承受將它們拋向太空的初次撞擊的熱量和能量影響，接下來(lái)是星際空間的極端環(huán)境條件，最后還要經(jīng)受進(jìn)入其他星球大氣層和著陸時(shí)的熱量和能量的影響。

麥克萊恩指出，他的研究顯示，微生物可以經(jīng)受住再次進(jìn)入大氣層和著陸時(shí)帶來(lái)的沖擊。他的研究團(tuán)隊(duì)在2003年進(jìn)行了一項(xiàng)有關(guān)菌膜在太空中形成的微生物實(shí)驗(yàn)研究，該實(shí)驗(yàn)搭載“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)進(jìn)入太空，那是“哥倫比亞”號(hào)的最后一次飛行。雖然航天飛機(jī)在返航途中不幸解體，但搭載的實(shí)驗(yàn)菌體卻奇跡般地存活了下來(lái)。然而目前還不知道，菌膜形成率的提高是否會(huì)增強(qiáng)微生物在外太空環(huán)境中存活的可能性。

“我并不知道菌膜生長(zhǎng)是不是會(huì)產(chǎn)生影響，”麥克萊恩說(shuō)，“但我對(duì)進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)很感興趣?！?/p>

利用HARV反應(yīng)器，將來(lái)研究人員還可以在地面上進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。然而蒂努馬萊認(rèn)為，想要確證細(xì)菌在太空中真的會(huì)產(chǎn)生與地面實(shí)驗(yàn)類似的行為，就必須在軌道空間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

“目前，在國(guó)際空間站內(nèi)進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)，觀察微生物如何響應(yīng)真實(shí)的太空環(huán)境，是非常重要的?！钡倥R萊說(shuō)。

鑒于在空間站上安排這些實(shí)驗(yàn)的難度以及經(jīng)費(fèi)問題，蒂努馬萊承認(rèn)，短期內(nèi)這還只是一個(gè)夢(mèng)想。