为何三体人脱水后还能复活？生物学上可能吗？

撰文丨王志荣

       近日热播的科幻电视剧《三体》中，受到严酷环境考验的三体人喊出“我脱水！”后，身体便震颤着迸出水分，化为一副可以卷起的皮囊，方便同伴携带，也方便集中储藏，令人感到惊奇而震撼。待到恒纪元时环境适宜，大王一声令下，干枯的躯体倾泻入水，在生命之泉的充盈中纷纷复活。

三体人浸泡在水中后复活。图源：《三体》，腾讯视频

       类似三体人如此脱水而后浸水复活，在生物学上是可能的吗？

       答案是肯定的。实际上，自然界中有一种神奇的生物，也可以用脱水的办法，近乎停止身体的一切代谢活动，度过严酷环境——这便是名声在外的水熊虫。

       水熊虫是缓步动物门的一种微小生物，成体只有大约0.5毫米的长度，不借助显微镜的情况下，几乎难以用裸眼分辨。目前已知有1380种水熊虫种类，有的生活在海水，有的生活在淡水，还有的生活在陆地上潮湿的苔藓中，关键是都离不开水。

图源：参考文献[5]

       上图正是爬行的水熊虫，通体透明。水熊虫乍一看像个米其林轮胎吉祥物，或者胖乎乎的小熊，有四对八只矮胖的足以及末端的小爪子。1773年德国动物学家Johann August Ephraim Goeze给这种动物起名“小水熊”。

       水熊虫在极端环境下，脱掉全身绝大部分的水分，便可在极寒、极热、干燥、高压、缺氧、甚至真空宇宙射线中存活下来。科学家们猜测：是否存在一种保物质，在水熊虫遭遇极端环境后会被激活，保护它们体内失掉水分的细胞。

       与嗜热菌之类的嗜极端生物不同，水熊虫并不是适应在极端环境中稳定生活，而是动用浑身资源去经受极端考验；就像三体人在乱纪元脱水只是求生，等待恒纪元生产发展。所以，一个合理的猜测是在脱水状态下保护水熊虫的物质平时不需要；当严酷环境到来才被制造出来——即编码这种蛋白质的基因在关键时刻特异性地提高了表达量。

       2017年，美国科学家Bob Goldstein实验室发现，一类在水熊虫干燥脱水过程中才特异性高表达的CAHS蛋白（cytosolic-abundant, heat-soluble proteins）可能是答案。

       他们发现，当外界环境恶化时，水熊虫体内的CAHS基因表达就会升高，从而确保水熊虫进入脱水的保护状态。当然，这并不表明环境恶化与CAHS基因表达高之间存在因果关系，说不定只是时间上相关而已。

       所幸在水熊虫上还有一些验证基因功能的工具。

       验证生物学上的因果关系讲究既要有“必要性”（没有不行），也要有“充分性”（加到别处也行）。Goldstein实验室通过用RNA干扰的方法降低一部分CAHS基因的表达量，发现水熊虫的存活能力显著下降，这说明CAHS蛋白确实不可或缺；而通过在酵母、细菌这些本来没有CAHS基因的细胞中加入这些基因，这些单细胞生物就获得了更强地在干旱中存活的能力。乳酸脱羟酶在干燥环境下会降低到1%的酶活性，而混入CAHS蛋白后就可以保护酶活性不受破坏。也就是说，CAHS蛋白给其他蛋白或者细胞穿上了一层抵抗干燥脱水的“保护衣”。

       那么，水熊虫脱水后穿上“保护衣”的过程是什么样呢？

       Goldstein实验室认为，水熊虫在干燥脱水的过程中形成非晶态固体，好像水快速冷却的过程中没有冰晶的形成，从而达到透明似玻璃的固体状态，保存了细胞中蛋白质和脂质膜的结构，也就是“玻璃化”。水熊虫在脱水的过程中，CAHS蛋白也会玻璃化，参与保护。当然这种保护是有限度的，如果环境温度过高，超过了“玻璃转化温度”（指玻璃态物质从玻璃态转化成高弹态的温度），玻璃化就遭到了破坏，类似结晶固体越过了熔点从而变成了液态。不论是在水熊虫还是在单细胞酵母中，当环境温度超过了CAHS蛋白的玻璃转化温度，保护力被破坏，生物也无法存活。

       这是否意味着，水熊虫脱水后复活的秘密武器就这样揭晓了？

       四年后，两位日本科学家给杂志社写信，质疑Bob Goldstein实验室在2017年的文章。质疑点主要是在论文最后的“玻璃化”理论。他们认为，原文中用差示扫描量热法（differential scanning calorimetry）测量出的玻璃转化温度来反映玻璃化的性质，并不是CAHS这种蛋白所特有的，很多体内的蛋白质（例如人生长激素或者牛血清白蛋白）或者体外蛋白质（例如蚕丝或者蜘蛛丝）也可以，所以不能说CAHS蛋白可以玻璃化就能保护脱水的水熊虫。

       原论文作者则回应称，这个反驳有些站不住脚，因为展示出类似理化性质的物质不一定就要行使同样的生物学功能，并且考虑到微环境中其他成分，变数就会更大，CAHS蛋白大概只是参与保护的一种重要组分，而非唯一因素。也就是说，脱水水熊虫的玻璃转化温度不一定是CAHS蛋白和其他保护成分的玻璃转化温度的线性叠加。

       实验方面，两位日本科学家质疑的内容为两部分，一是检测CAHS蛋白玻璃化，二是检测水熊虫玻璃化，焦点都在样品的含水量。由于测量过程中使用的温度会逐渐上升到200摄氏度，固态样品中残留的水分子会蒸发从而影响数据曲线的读数。他们重复了2017年文章中的实验并且加入了一种监测升温过程中质量变化的指标，发现如果提纯的CAHS蛋白样品彻底烘干后，玻璃转化温度就不复存在了。不过，含有水分的CAHS蛋白样品数据和Bob Goldstein实验室的论文是一致的。指出含水量这个参数非常有意义，因为这是实验条件中差异巨大的一点，需要严格控制。平时天气预报中常说的空气湿度是个相对百分比，常见的实验室湿度大约在35%左右，而对于生活在极度潮湿环境中的水熊虫，95%的湿度就已经算是缓慢的干燥刺激了，70%就是比较致命的速干刺激。

       对于水熊虫玻璃化的的测试，日本科学家们未能重复出原文结果，因为没有看到明显的玻璃转化温度。他们向原作者要来了原始数据进行分析后，认为原文中报道的98摄氏度的玻璃转化温度是读数曲线中微不足道的一个小噪音导致的，并不可靠。

       这多少是在暗示原作者有操纵数据的嫌疑。因为在原文的实验条件下，用特定的水熊虫类型，干燥的水熊虫存活率在外界温度加热到90多摄氏度的时候就会断崖式下降。选取98摄氏度左右这个玻璃转化温度似乎可以对应上存活率暴跌的温度，从而加强玻璃化和脱水保护之间的相关性。

2017年文章中未脱水和脱水后水熊虫随温度变化的生存曲线，灰色纵向阴影指示测量出的水熊虫玻璃转化温度。图源：参考文献[1]

       原作者们在收到了挑战信之后，针锋相对做了回复。对于检验水熊虫的玻璃化，他们认为日本科学家的重复实验样本量不足，使用的干燥条件不同，没有对照实验证明脱水的水熊虫后来可以复活。

       对于CAHS蛋白玻璃化的检验，原作者也要来了日本科学家的实验数据进行了重新分析和作图。通过将纵轴的尺度拉伸使其颗粒度更小，显示出不论是完全脱水还是原先实验中含有一定水分的蛋白样品，都出现了玻璃转化温度。而且已知完全干燥的样品会有向更高温偏移的情况，所以80摄氏度的峰偏移到了95摄氏度，160摄氏度的峰偏移出了测量范围也解释得通。这样就反驳了日本科学家——他们认为完全干燥样品不出现玻璃转化温度，CAHS蛋白玻璃化的结果是其中含水量造成的错觉。由于对这样的测量结果没有严格统一的统计学上检测显著的标准，无法准确定义一个玻璃转化温度，所以双方各执己见，无法达成一致。

左图为2021年日本科学家进行的重复实验数据，右图为2021年美国科学家对左图数据进行的重新分析。注意纵轴的尺度。图源：参考文献[3]

       水熊虫为何可以脱水存活，而后遇水复活？总结一下，美日两国科学家都同意水分在其中起到复杂而重要的作用，但水是因还是果，以及CAHS蛋白的玻璃化进而保护脱水的水熊虫还需要谨慎的实验和仔细的考量。CAHS蛋白或者玻璃化也明显不是唯一解，是否和其他的保护成分一起作用，还有待更多探索。