適應(yīng)微重力的生命演化

凱斯·庫珀+梁炳鑫

生命能夠克服多種極端環(huán)境來保證生存，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進(jìn)行實驗。大腸桿菌屬于動物腸道的常見細(xì)菌。實驗人員讓培養(yǎng)瓶中的大腸桿菌菌株NCM520在正常地球重力條件下生長，另一菌株MG1655則被放置在從約翰遜航天中心租借來的特殊儀器中，該儀器可以模擬微重力環(huán)境。這臺儀器配備有旋轉(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)中的微生物會在自由落體狀態(tài)中生長。

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

休斯敦大學(xué)微生物學(xué)家、研究項目帶頭人馬丹·蒂努馬萊說：“在地球上模擬微重力環(huán)境以進(jìn)行研究，對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)隊想要知道這種對微重力的適應(yīng)發(fā)生在遺傳層面還是生理層面。打個比方，嚴(yán)寒地帶的人遷居赤道，他們會怎樣適應(yīng)溫度變化？如果他們回到原來居住的地方，這種適應(yīng)性會丟失嗎？如果適應(yīng)性丟失，就說明變化來自生理層面，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，雖然一部分變化來自生理層面，但回到地球重力環(huán)境后保留下來的變異來自遺傳層面，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。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MG1655中的16個基因發(fā)生了變異，其中包括5個與形成菌膜相關(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。

蒂努馬萊的研究對細(xì)菌在國際空間站內(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，過一段時間，它就會開始產(chǎn)生某種方向的變異，幫助它獲得生長優(yōu)勢，以保證存活?！钡倥R萊說。

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研究。不過他認(rèn)為，該研究成果代表了一種“實驗進(jìn)化”：微生物菌株被施加環(huán)境壓力，在實驗環(huán)境的操縱下產(chǎn)生進(jìn)化。

“從我的角度來看，這項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，“這些變異是長期性的，可以通過進(jìn)化實驗進(jìn)行檢測?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2017/09/06/fdts201709fdts20170916-1-l.jpg" style="">

健康風(fēng)險

菌膜的生長和微生物致病性之間也存在潛在聯(lián)系。雖然這項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引發(fā)另一組基因變化。

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

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

“菌膜形成無論對微生物的繁殖還是致病性來說，都至關(guān)重要?！钡倥R萊說。

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

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

在太空中存活

假設(shè)其他細(xì)菌在微重力環(huán)境中的行為確實與大腸桿菌相類似，這對天體生物學(xué)來說具有潛在的重大影響。有生源說認(rèn)為生物材料可以在星體之間通過小行星和天體碎片進(jìn)行傳播，這就要求微生物能夠長時間在太空中存活。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，地球上的生命可能曾經(jīng)到達(dá)過火星；反過來也一樣，地球上的生命也可能來自火星，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)入大氣層和著陸時帶來的沖擊。他的研究團(tuán)隊在2003年進(jìn)行了一項有關(guān)菌膜在太空中形成的微生物實驗研究，該實驗搭載“哥倫比亞”號航天飛機(jī)進(jìn)入太空，那是“哥倫比亞”號的最后一次飛行。雖然航天飛機(jī)在返航途中不幸解體，但搭載的實驗菌體卻奇跡般地存活了下來。然而目前還不知道，菌膜形成率的提高是否會增強(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是不是會產(chǎn)生影響，”麥克萊恩說，“但我對進(jìn)行這樣的實驗很感興趣?！?/p>

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

“目前，在國際空間站內(nèi)進(jìn)行這些實驗，觀察微生物如何響應(yīng)真實的太空環(huán)境，是非常重要的。”蒂努馬萊說。

鑒于在空間站上安排這些實驗的難度以及經(jīng)費(fèi)問題，蒂努馬萊承認(rèn)，短期內(nèi)這還只是一個夢想。