为何三体人脱水后还能复活?生物学上可能吗?

作者: 王志荣

来源: 赛先生

发布日期: 2023-03-06 12:31:08

本文探讨了科幻电视剧《三体》中三体人脱水后复活的情节在生物学上的可能性,并以水熊虫为例,详细介绍了其在极端环境下脱水存活并复活的生物学机制。文章还讨论了科学家对水熊虫脱水保护机制的研究,特别是CAHS蛋白在保护细胞免受脱水损害中的作用。

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。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,也可以用脱水的方法,近乎停止身体的一切代谢活动,度过严酷环境——这便是名声在外的缓步动物门的水熊虫。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,有的生存在海水,有的生存在淡水,还有的生存在陆地上潮湿的苔藓中,关键是都离不开水。

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:是否存在一种保护物质,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。

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。

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。

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