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西伯利亚线虫四万年沉睡苏醒,人类冰冻休眠曙光降临?

2018-09-14 09:44来源:科普中国

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  出品:科普中国

  制作:关西科健产业研究院

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  7月底,世界各国媒体都将关注的焦点置于俄罗斯科学院土壤理化及生物问题研究所的一间实验室。在这里,两种已经在西伯利亚永久冻土中冰封了数万年的线虫,重新解冻复苏,开启了全新的生命旅程。

  这是人类第一次复活冰冻如此长时间的多细胞生物,两种线虫也用自己独特的“冻龄“秘术成功地登顶现存动物寿命排行榜。在它们漫长的沉睡开始时,长毛猛犸象还游荡在西伯利亚的苔原之上。

  西伯利亚永久冻土——保存古生物遗体的天然冷库

  永久冻土的英文名称permafrost来自对permanently frozen ground的缩写,字面意思来说便是永久冰封的土地。永久冻土占据了北半球20%的陆地面积,大部分集中在俄罗斯西伯利亚、美国阿拉斯加、加拿大北部和格陵兰岛等地,最厚处可达650米(阿拉斯加Prudhoe Bay)。

西伯利亚线虫四万年沉睡苏醒,人类冰冻休眠曙光降临?

辽阔的西伯利亚永久冻土区,作者:荆博

  之前在西伯利亚的永久冻土样品中,科学家们成功地复活了一系列被冰冻的古代生物。然而它们的共同特点便是要么属于单细胞动物,要么属于还有萌发能力的种子。需氧/厌氧细菌、蓝绿藻、放线菌、单细胞绿藻、酵母、阿米巴变形虫、异养鞭毛虫、纤毛虫、苔藓孢子甚至高等植物种子都榜上有名。

  然而,冰冻多细胞生物的复活却一直没有实质性进展。虽然曾经有过在冷冻标本中存在二三十年的线虫成功苏生的先例,但毕竟时间尚不够久远,相关研究也未能引发较大影响力。

  另一方面,由于特殊的自然地理条件,保存完好的古代动物遗迹在西伯利亚时有发现。在这个极寒之地,长毛猛犸、长毛犀牛、穴狮等已经于更新世(约260万年前到1.2万年前,地质时代第四纪的早期)灭绝的大型动物都曾经出土过,并且它们的完好程度常常令人惊讶。

西伯利亚线虫四万年沉睡苏醒,人类冰冻休眠曙光降临?

西伯利亚永久冻土中发现的幼年长毛猛犸象尸体,作者:James St. John on VisualHunt

  然而,当它们被从幽暗冰冷的地底发掘出来时,即便它们仍然保留着生前的模样,也早已失去了生命活力。所以,当两种线虫们开始在培养皿中缓缓蠕动的时候,研究者们的兴奋之情可想而知。

  复活线虫——既不简约又不简单的科学探索

  两种线虫中比较年轻的一种采集自科雷马河(Kolyma River)下游Duvanny Yar的一处松鼠洞穴遗迹,地层年代经由碳同位素测定,距今已有32000年。

  另外一种线虫采集自对阿拉泽亚河(Alazeya River)沿岸的一处冰川沉积物进行的岩心钻探。样品取自距离地表3.5米深处的岩心,经由碳同位素测定,距今约为42000年。

  这两件样品分别采集于2002年和2015年,之后一直在实验室中保存于-20摄氏度的环境中。另外值得一提的是,进行该项研究的科学家们同时采集了300件类似的永冻土沉积物样品,不过仅仅在上述两件样品中成功地复活了远古线虫。

西伯利亚线虫四万年沉睡苏醒,人类冰冻休眠曙光降临?

两种样品的提取地点,作者:荆博

  主导该项研究的俄罗斯科研机构在收集含生物成分永冻土样品方面的资源条件得天独厚,但含有潜在复活对象的样品在运输储存过程中的保存条件以及抗菌处理工艺等一系列技术难点最近才终于得以攻克,远古线虫的复活道路就此扫清了障碍。

  科学家们首先将2克左右包含冰冻线虫的土壤样品置于培养皿中,创造各种适宜线虫生存的条件以便让它们的种群尽可能的迅速增殖壮大。终于,在数周的精心培养之后,三百多个培养皿中有两个出现了身长仅有几百微米的线虫活体。这些珍贵的微小生物随后被转移到琼脂和特殊的营养液中,以大肠杆菌作为主食继续精心培养。

  虽然两种线虫的近代种群都有雄性形态,但这次复生的全部线虫都是雌性。由于雌性个体的解剖学特征相对雄性更少,单纯依靠形态进行分类学研究存在不甚科学严谨之处。为此,科学家们在对两种复生线虫的形态学和形态测量学进行详细表征后,也对它们染色体上一个被命名为为18S rRNA的基因进行了测序。在与基因数据库中的线虫18S rRNA序列进行对比后,两种线虫的种系分类才算告一段落。种系分析结果显示,两种线虫分别隶属于Panagrolaimus detritophagus和 Plectus parvus两个种,它们的现代种群已经分别在1930年和1865年得到确认。

西伯利亚线虫四万年沉睡苏醒,人类冰冻休眠曙光降临?

  某种Panagrolaimus属内的线虫。该属线虫一般直径约50微米,图中的S代表精子,E为卵,O为卵母细胞。图片来源:参考文献2

  目前,这两种线虫已经在维基百科上拥有了属于自己的页面,它们的事迹——世界上第一例长期冷冻复苏的多细胞动物也赫然列明于其中。相对于大部分线虫无足轻重的存在感,这两种线虫已经可以说是声名远扬了。

  远古线虫封印解除——唤醒冷冻的人体还远吗?

  将人体冷冻进入休眠状态从而度过星际旅行的漫长时间是众多太空科幻作品的经典桥段。在电影描述的这种冰冻状态下,人体大部分生命活动得以暂停,直到被唤醒为止,相当于寿命无形中得到了延长。

  虽然高等生命体与线虫同属于多细胞生物,然而实际当中,人体一旦进入冷冻休眠模式生命就会消亡,因为人体的复杂性绝非线虫所能比拟。电影中的唤醒无异于让人死而复生,而且还能生龙活虎,科幻属性一目了然。常识告诉我们,长期冷冻后的高级生命体想要再次复活难上加难。

  首先,人体的组织和器官具有极大的多样性,它们的构成元素从物质和材料的角度来说,主要包含了水、蛋白质、脂肪、无机盐类等等。这些物质在面对冷冻处理时的反应和耐受能力也不尽相同,例如结构复杂的蛋白质在冷冻后很大概率会失去原有的生物活性,且这一过程几乎不可逆。类似线虫细胞这样对于冷冻有良好耐受能力的细胞在人体中必然是存在的,但人体绝非各部分都能承受冷冻和解冻。

  另外,大脑能够在多大程度上恢复功能同样令人悲观,人类大脑内天文数字般的蛋白质分子一旦变性,这部精密的机器能否正常运作?一系列不受意识控制的植物性神经能否在复苏后恢复正常功能,调控最基本的生理活动?思想、意识和记忆等相对高等的大脑机能能够完全恢复到冷冻之前的水平?不得不说,这些问题的答案想想都令人感到沮丧……

西伯利亚线虫四万年沉睡苏醒,人类冰冻休眠曙光降临?

  位于乌克兰国家科学院低温生物学及低温医学研究所的冷冻银行(low-temperature bank),作者:Прокопюк Владимир Юрьевич

  实际上,进行这项研究的科学家们已经在论文中为其意义做出了理性客观的注解,“这项研究揭示了多细胞生物在经受长期自然冷冻后仍能成功复苏的可能性。更新世线虫在应对冷冻时的某些适应机制将可能对低温医学、低温生物学、以及天体生物学等领域产生启发。”

  我们从中可以看出的是,多细胞动物的冷冻复苏获得了历史性突破确实不假,但研究对象仍然只是线虫这种相当低等的生物而已。那么,我们是否可以就此质疑该项研究的价值呢?

  实际上,正如作者们所言,这项研究最大的潜在价值是它提示我们今后研究关注的重点应是线虫细胞和组织在应对冻结时的防御机制。正是这类看似即时价值不大的基础研究在不断推进着人类对于自然规律的认知和利用。

  长远来说,诸如先进御寒技术、冻伤组织修复、生物来源食品的冷冻保鲜等低温生物学和低温医学领域的相关研究,也将在此过程中受益。与太空休眠相比,这些课题与人类生活的相关程度可就不能说是不密切了。

  永久冻土加速解冻——全球变暖下的阴霾

  在接受西伯利亚时报采访的过程中,参与这项研究的科学家在评价他们的心情时用了喜忧参半这个词。这所谓的“忧”,便是地球暖化带来的永久冻土加速解冻。

  不断解冻的永久冻土将为相关研究人员带来更多珍贵的古代动植物、细菌标本,这样的饕餮盛宴当然会令研究者们感到欣喜。然而,全球变暖给西伯利亚永冻土造成的诸多环境恶果才开始慢慢显现。

  例如,解冻后腐烂的古代动物遗体很可能成为致命病原菌繁育的温床,给当地流行病防控部门带来新的压力。2016年8月底发生在俄罗斯北部的一次炭疽疫情就很有可能是由死于炭疽的古代驯鹿遗体造成。当年均温度不断升高,冻土逐渐解冻,冰封于冻土中的遗体暴露后,休眠的细菌以及存在于猎食动物身上的病原菌便会以尸体为中心发生交差感染。人类接触了感染动物后,不少人畜共患疾病便会进一步传染给人类。

西伯利亚线虫四万年沉睡苏醒,人类冰冻休眠曙光降临?

  消融中的永久冻土,来源:NPS Climate Change Response on Visual Hunt

  最后,无论如何,我们应该向这群线虫顽强的生命力致敬。上一次他们“呼吸“泥土芬芳的时候,穴狮的足迹可能就在不远处。如今它们在培养皿中肆意扭动着四万岁的苍老躯体,时间也仿佛回溯到了那个长毛猛犸象仍在西伯利亚荒原上奔跑的年代。四万年的沉睡,四万年的天地洪荒,这场暌违四万年的苏醒,对于人类来说会是新时代开启的帷幕吗?

  参考文献:

  1.https://link.springer.com/article/10.1134/S0012496618030079

  2.https://bmcevolbiol.biomedcentral.com/track/pdf/10.1186/1471-2148-9-15

  3.http://buzz-plus.com/article/2018/07/27/42000-worm-news/

  4.http://www.afpbb.com/articles/-/3097505?page=2

  5.https://siberiantimes.com/science/casestudy/news/worms-frozen-in-permafrost-for-up-to-42000-years-come-back-to-life/

  6.https://www.mnn.com/earth-matters/animals/stories/worms-frozen-permafrost-42000-years-brought-back-life

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)

[责编:张佳兴]

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