水熊虫的自保秘诀
现在，科林和同事们已经发现了一种使缓步动物具备优良韧性的关键机制：触发强力休眠状态的分子开关。这种微小生物利用复杂的系统在恶劣环境中存活，虽然该分子开关仅仅只是其中一环，但研究人员希望他们发表在《公共科学图书馆·综合》（PLOS ONE）上的这项新工作能为后续研究抛砖引玉。这项研究的共同作者、美国北卡罗来纳大学教堂山校区（University of North Carolina at Chapel Hill）的化学家莱斯莉·希克斯（Leslie Hicks）说：“它开辟了一个巨大的领域，我们现在可以用实验来验证。”
这项研究始于科林的一个突发奇想，他把一只缓步动物放进了能检测自由基（含有未配对电子的原子或分子）的机器中。动物正常的新陈代谢过程以及烟雾等污染物造成的环境压力都会让细胞内产生自由基，因此他认为缓步动物也可能产生这种分子。
自由基是一种不稳定的分子，当它们（特别是活性氧）累积起来时，就会从周围环境中夺取电子，通过一种名为“氧化还原反应”的过程变得稳定。这种反应会损害体内的细胞和化合物。但希克斯表示，少量的自由基也可以作为信号分子。她实验室的研究表明，当自由基在各种蛋白质上附着和脱落时，会影响细胞的行为。
当科林告知希克斯，他在缓步动物身上观察到了自由基时，希克斯想知道这些分子是否与这种动物的韧性有关。研究团队设计了几种实验，让水熊虫暂时暴露在能诱导压力且会产生自由基的条件下，如含有高浓度盐、糖和过氧化氢的环境。在这些压力下，缓步动物会蜷缩起来，进入一种叫作“tun”的临时保护性休眠状态。研究人员监测了缓步动物发生蜷缩的条件，发现自由基似乎能诱导它们进入休眠状态，但其机制尚不明朗。
希克斯正在研究自由基与半胱氨酸之间的信号相互作用，她决定测试半胱氨酸是否会在水熊虫形成休眠的过程中发挥作用。于是，她和同事给缓步动物引入了不同种类的分子，此前的研究表明这些分子能阻止半胱氨酸的氧化。在压力条件下，这些分子会阻碍自由基与半胱氨酸发生反应，缓步动物也无法进入休眠状态，这表明半胱氨酸氧化是必要的机制之一。
日本庆应义塾大学（Keio University）研究缓步动物的生物学家荒川和晴（Kazuharu Arakawa）表示，这项新研究与过往的研究结果一致：此前的研究显示，氧化过程在一种蠓虫中发挥作用，这是一种以能耐受完全脱水而闻名的生物。这些相似之处表明，这种机制可能也是水熊虫强力休眠及类似过程的触发因素，科学家将这种现象称为隐生状态。
然而，水熊虫仍有许多未解之谜。丹麦罗斯基勒大学（Roskilde University）的比较动物生理学家汉斯·拉姆勒乌（Hans Ramløv）表示，当水熊虫进入休眠状态时，会暂时关闭新陈代谢——即使是半胱氨酸氧化也无法解释这一现象。他说：“迄今为止，尚无一项研究能够对此做出解释。在我看来，我们离理解这种机制还有很远很远的路要走。”
科林和希克斯都认为，要了解自由基在缓步动物体内的作用方式，还有许多研究工作要做。具有韧性的休眠状态并不是水熊虫在环境压力下生存的唯一策略，详细研究其他的生存策略也在团队的计划之中。研究人员还打算研究不同种类的缓步动物（他们目前只研究了一种水熊虫），他们预计，可能会发现半胱氨酸氧化广泛应用于各种动物。
希克斯希望，从长远来看，这项工作能为研究衰老和太空旅行提供信息，因为二者都涉及DNA和蛋白质等重要细胞元件的自由基损伤。
本文选自《环球科学》5月刊“前沿”栏目。
本文来自微信公众号“环球科学”。如需转载，请在“环球科学”后台回复“转载”，还可通过公众号菜单、发送邮件到[email protected]与我们取得联系。相关内容禁止用于营销宣传。
《环球科学》2024年5月新刊正在热卖
戳图片或阅读原文
立即购买
微信扫码关注该文公众号作者