頑強的水熊

水熊也稱水熊蟲(Water Bear),人送外號“小美”,這是對緩步動物門(Tardigrata)生物的俗稱,有記錄的約有900餘種,其中許多種是世界性分佈的。

水熊體型極小,最小隻有50微米,而最大的則有1.4毫米,必須用顯微鏡才能看清,身體表層覆蓋著一層水膜,該水膜用於避免身體乾燥,同時可呼吸水膜中的氧氣。

水熊是地球上已知生命力最強的生物,可以在沒有防護措施的條件下在外太空生存,在喜馬拉雅山脈(Himalaya mountains)(6000m 以上,曾在5546米處發現過)、溫泉、南極和深海(4000m 以下)都能生存。在-272℃和151℃的條件下均可存活2分鐘,低溫-200℃能活上幾天,-20℃的環境中起碼能存活30年。


頑強的水熊

緩步動物門(Tardigrada),俗稱水熊蟲、熊蟲。它們高度特化,體長不超過1毫米,大多數只有0.5毫米左右;除頭部外,有4個體節,每個體節上具1對足。身體透明,但很多種類的顏色來源於食物。雌雄異體。適應性極強,在海拔6 000米以上的喜馬拉雅山和4 000米以下的深海海溝均有分佈,甚至可以忍受真空環境。已知約1 200種,分3個綱:異緩步綱(Heterotardigrada),如水熊蟲(Hypsibius dujardini);中緩步綱(Mesotardigrada);真緩步綱(Eutardigrada),如緩步蟲(Macrobiotus)等。

水熊蟲是 最 “ 堅韌不拔”的動物,可能也是目前人類已知最彪悍的動物。據報道,-200℃下它們可活若干天,-272℃和181℃均可存活2分鐘;在5 700戈瑞強度的放射線下也可生存;還可以承受600兆帕斯卡的巨大壓力;而且在真空中都不會死亡。


頑強的水熊

緩步動物(Tardigrata)是多細胞動物(Multicellular animals)。它們非常細小,大部分不超過1毫米,最小的Echiniscus parvulus出生的時候只有50微米。而最大的Macrobiotus bufelandi則只達1.4毫米。通體透明,無色,黃色,棕色,深紅色或綠色。它們的顏色主要是它們的食物賦予的。它們食入含類胡蘿蔔素(Carotenoid like)的食物,類胡蘿蔔素可以在各器官沉積。

它們由頭部,四個體節,被幾丁質(chitin)構成的角質層(Cuticle)覆蓋。四對腳,末端有爪子,吸盤或腳趾。由長長的細胞組成的肌肉因應體節而分佈。口前有兩向前突出,一個用於刺進食物,另一個則是吸收工具。前腸有很多成對腺體,薄薄的食道連接中腸。在兩個目的水熊蟲中腸和末腸之間有馬氏管(Martensite tube),專司體內的滲透壓(osmotic pressure)平衡。

神經系統的構成:咽上下神經節(Upper and lower ganglion),其中嚥下神經節(Inferior pharyngeal ganglion)和腹部四個神經節鏈式(Ganglion Chain)相連。體腔中的細胞負責儲存。水熊蟲沒有循環系統(circulatory system)和呼吸系統(respiratory system)。

緩步動物通常是雌雄異體(Male and female)。它們的性腺(gonad)是次體腔(Secondary cavity)(事實上,所有的節肢動物都是這樣)的殘留物,是不成對的囊狀器官,或者是在肛門前向外開口,或者是向終腸開口。卵子並不需要事先受精就可以被排出體。


頑強的水熊

電鏡下的水熊蟲,水熊蟲在乾燥狀態或環境惡化時,身體會縮成圓桶形自動脫水靜靜地忍耐蟄伏(隱生現象),此時會展現驚人的耐力。生命力超強,能在冷凍、水煮、風乾的狀態下存活,甚至能在真空(vacuum)中或者放射性射線(Radioactive ray)下存活。


頑強的水熊

隱身習性

緩步動物門具有全部四種隱生(Cryptobiosis)性(即低溼隱生)(Anhydrobiosis)、低溫隱生(Cryobiosis)、變滲隱生(Osmobiosis)及缺氧隱生(Anoxybiosis)),能夠在惡劣環境下停止所有新陳代謝。緩步動物也因此被認為是生命力最強的動物。在隱生的情況下,一般可以在高溫(151°C)、接近絕對零度(Absolute zero)(最高紀錄-272.8°C)、高輻射(High radiation)、真空或高壓的環境下生存數分鐘至數日不等。曾經有緩步動物隱生超過120年的記錄。

1、低溫隱生

低溫就會引起低溫隱生(Low temperature latent)。緩步動物能先被冷凍再經解凍而復甦,而且不會對身體造成損壞。1975年Crowe將活動狀態的Macrobiotus areolatus放到2毫升-20°C的水中。所有實驗動物立刻進入小桶狀態。在4°C的水中解凍只需要一分鐘。80%的動物成功甦醒。神父拉門曾把水熊蟲在-200°C的液態空氣裡泡了20個月,在-253°C的液態氮裡泡了26小時,-272°C的液態氦泡8小時。結果,在之後,水熊蟲們像什麼都沒發生似的,“復活”了。

一些極地魚類物種會分泌防凍蛋白,自己體內不結冰。但水熊蟲似乎允許體內結冰,或它能夠自我修復。

2、低溼隱生

這是最常見的隱生形式,當陸生的緩步動物生活環境開始缺水時即會發生。但當它們再次接觸到水的時候,它們能在很短時間之內重新活動。包括陸生緩步動物在內,只有它們身處水中才能存活。如果周邊液體被稀釋甚至低於體液濃度時,緩步動物就會蜷縮成桶狀。背側的甲片會層疊在一起,甲片之間的彈性角質層會收縮。進入所謂的“小桶狀態”(Cask Phase)(Tönnchenform)。在“小桶狀態”下,它們的新陳代謝(The new supersedes the old)速度會降低到原來的0.01%。

進入“小桶狀態(Keg state)”的首要原因是缺氧(hypoxia)。實驗中停止通風,緩步動物會收縮。但在水中肌肉的收縮狀態不能持久。所以“小桶”遇水即會重新舒展,但個體會立即進入窒息狀態(Asphyxia)。

緩步動物能渡過缺水期有前提,就是該過程是緩慢進行的而且空氣溼度不能太低。乾燥過程太快,緩步動物就沒有時間去收縮。作違背該前提的實驗,可以觀察到緩步動物緊壓在地表,很難復甦。

3、缺氧隱生

缺氧隱生髮生於緩步動物周遭液體含氧量低於一個閾值(threshold)。開始的時候緩步動物先收縮,但後來就會伸展到最大狀態,同時也是窒息狀態,而且它們已沒有能力排出進入體內的水分。一些種類能在缺氧狀態下存活五天。缺氧隱生時緩步動物的新陳代謝狀態不明。

4、變滲隱生

變滲隱生(Variable percolation)還沒有很好的被觀察到。變滲隱生是因為環境的滲透壓升高引起的。Macrobiotus bufelandi在0.4%的鹽溶液中仍然能活動。在15%的鹽溶液中它會在9秒之內進入小桶狀態。Echiniscoides sigismundi在淡水中會窒息,但若在三天內將它重新放到海水中,它就會甦醒過來。

高溫生存

1842年,法國科學家Doyère表示“小桶狀態”下的水熊蟲可在125°C的水中存活數分鐘。上世紀20年代,神父拉門(G.Rahm),把幾隻在151°C水中“煮”了15分鐘的水熊“復活”。

一些生物會分泌一種叫做“海藻糖(trehalose)”的物質,海藻糖會在細胞內形成一種玻璃狀物體,來穩定蛋白等重要物質。他可以控制水分子在高溫下膨脹(細胞中水分子高度膨脹是致命的)。

我們會覺得水熊也使用這種方法抵禦高溫,但學者托馬斯·布思比(Thomas Boothby),只有一些水熊會分泌海藻糖,“一部分貌似並不產生海藻糖,或者是是因糖量太低我們檢測不到。”他還說到:“我們知道,水熊會分泌一種‘保護劑’,但那東西具體是什麼還是個未解之謎。”

在-272℃和151℃的條件下均可存活2分鐘,低溫-200℃能活上幾天,-20℃的環境中起碼能存活30年。它能夠承受的電離輻射的劑量,是人類致死劑量的數百倍。能抗住的壓力大約是目前最深海溝水壓的6倍,在同等壓力下人可能會被壓到變形。

胞囊形式

在包囊中渡過困難時期並不算是隱生的一種。

在苔蘚(Moss and lichen)和乾草(Hay)間生活的,特別是淡水生的種類能夠通過這種胞囊的形式渡過困難時期。在這種狀態下緩步動物會縮小成只有原來20%到50%的體積,降低新陳代謝甚至分解部分器官。該過程伴隨有三次連續的蛻皮,結束的時候,動物就會被多層角質層外殼所包繞。在這種狀態下緩步動物能存活一年。當環境改變回來,該個體能在6到48小時內脫殼而出。

胞囊的形成只會在水中發生。它遠不如小桶狀態那樣具抵抗能力,而且其水分含量也決定了其不具有抗高溫能力。


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