適應微重力的生命演化

凱斯·庫珀+梁炳鑫

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

休斯敦大學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行實驗。大腸桿菌屬于動物腸道的常見細菌。實驗人員讓培養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境。這臺儀器配備有旋轉生物反應器（HARV），該反應器尺寸很小，可以放在手掌上，并且以低轉速在儀器側面旋轉，因此流體介質中的微生物會在自由落體狀態中生長。

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，傳代培養長度超過了以往任何使用細菌的研究。

休斯敦大學微生物學家、研究項目帶頭人馬丹·蒂努馬萊說：“在地球上模擬微重力環境以進行研究，對深入了解微生物在太空中的生存圖景至關重要。”

蒂努馬萊的研究團隊想要知道這種對微重力的適應發生在遺傳層面還是生理層面。打個比方，嚴寒地帶的人遷居赤道，他們會怎樣適應溫度變化？如果他們回到原來居住的地方，這種適應性會丟失嗎？如果適應性丟失，就說明變化來自生理層面，而非遺傳層面。

研究人員發現，72%的MG1655發生的適應性變化在回到正常重力環境之后得到保留，并且在之后的10代至20代傳代培養中沒有丟失。研究人員據此推斷，雖然一部分變化來自生理層面，但回到地球重力環境后保留下來的變異來自遺傳層面，這種變異使適應微重力環境的菌株與普通菌株相比具有了優勢。進一步研究發現，MG1655中的16個基因發生了變異，其中包括5個與形成菌膜相關的基因，即surA、fimH、trkH、fhuA 和ygfK基因。菌膜是層狀的相互連接的細胞群，使養分能夠在細胞之間更好地分配，并有助于附著在固體表面。菌膜形成率提高對于細菌存活具有益處，并且作為一種微重力適應性，似乎還能夠提升細菌在太空環境中的表面附著能力。

蒂努馬萊的研究對細菌在國際空間站內的生存繁衍具有啟示作用，其他研究人員可以進一步對細菌在其他地外環境中生存的可能性展開研究，例如類行星、彗星以及小型衛星。

“把微生物放在任何一種極端條件下，或者一種新環境中，過一段時間，它就會開始產生某種方向的變異，幫助它獲得生長優勢，以保證存活。”蒂努馬萊說。

得克薩斯州立大學的微生物學家羅伯特·麥克萊恩并沒有參與這項研究。不過他認為，該研究成果代表了一種“實驗進化”：微生物菌株被施加環境壓力，在實驗環境的操縱下產生進化。

“從我的角度來看，這項研究的意義在于在暴露于微重力環境下的大腸桿菌菌株中發現了之前未知的變異，”麥克萊恩說，“這些變異是長期性的，可以通過進化實驗進行檢測。”

健康風險

菌膜的生長和微生物致病性之間也存在潛在聯系。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，菌膜形成的相關基因和致病性相關基因緊密關聯，其中一組基因的變異會引發另一組基因變化。

“致病基因可能會發生選擇性變異，導致該菌株的毒性更強。”蒂努馬萊說。

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

“菌膜形成無論對微生物的繁殖還是致病性來說，都至關重要。”蒂努馬萊說。

除了天體生物學方面的啟示外，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。菌膜會污染水循環系統，而其增強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境中是否會產生這些作用，微重力是否真的會對細菌產生此類影響，仍是一個尚待確證的問題。

“其他菌株和生物體可能會產生完全不同的行為。”麥克萊恩提示說。

在太空中存活

假設其他細菌在微重力環境中的行為確實與大腸桿菌相類似，這對天體生物學來說具有潛在的重大影響。有生源說認為生物材料可以在星體之間通過小行星和天體碎片進行傳播，這就要求微生物能夠長時間在太空中存活。天體發生撞擊之后，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到達過火星；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境條件，最后還要經受進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，微生物可以經受住再次進入大氣層和著陸時帶來的沖擊。他的研究團隊在2003年進行了一項有關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”號航天飛機進入太空，那是“哥倫比亞”號的最后一次飛行。雖然航天飛機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微生物在外太空環境中存活的可能性。

“我并不知道菌膜生長是不是會產生影響，”麥克萊恩說，“但我對進行這樣的實驗很感興趣。”

利用HARV反應器，將來研究人員還可以在地面上進一步實驗。然而蒂努馬萊認為，想要確證細菌在太空中真的會產生與地面實驗類似的行為，就必須在軌道空間內進行實驗。

“目前，在國際空間站內進行這些實驗，觀察微生物如何響應真實的太空環境，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費問題，蒂努馬萊承認，短期內這還只是一個夢想。