水熊也称水熊虫(Water Bear),人送外号“小美”,这是对缓步动物门(Tardigrata)生物的俗称,有记录的约有900余种,其中许多种是世界性分布的。
水熊体型极小,最小只有50微米,而最大的则有1.4毫米,必须用显微镜才能看清,身体表层覆盖着一层水膜,该水膜用于避免身体干燥,同时可呼吸水膜中的氧气。
水熊是地球上已知生命力最强的生物,可以在没有防护措施的条件下在外太空生存,在喜马拉雅山脉(Himalaya mountains)(6000m 以上,曾在5546米处发现过)、温泉、南极和深海(4000m 以下)都能生存。在-272℃和151℃的条件下均可存活2分钟,低温-200℃能活上几天,-20℃的环境中起码能存活30年。
缓步动物门(Tardigrada),俗称水熊虫、熊虫。它们高度特化,体长不超过1毫米,大多数只有0.5毫米左右;除头部外,有4个体节,每个体节上具1对足。身体透明,但很多种类的颜色来源于食物。雌雄异体。适应性极强,在海拔6 000米以上的喜马拉雅山和4 000米以下的深海海沟均有分布,甚至可以忍受真空环境。已知约1 200种,分3个纲:异缓步纲(Heterotardigrada),如水熊虫(Hypsibius dujardini);中缓步纲(Mesotardigrada);真缓步纲(Eutardigrada),如缓步虫(Macrobiotus)等。
水熊虫是 最 “ 坚韧不拔”的动物,可能也是目前人类已知最彪悍的动物。据报道,-200℃下它们可活若干天,-272℃和181℃均可存活2分钟;在5 700戈瑞强度的放射线下也可生存;还可以承受600兆帕斯卡的巨大压力;而且在真空中都不会死亡。
缓步动物(Tardigrata)是多细胞动物(Multicellular animals)。它们非常细小,大部分不超过1毫米,最小的Echiniscus parvulus出生的时候只有50微米。而最大的Macrobiotus bufelandi则只达1.4毫米。通体透明,无色,黄色,棕色,深红色或绿色。它们的颜色主要是它们的食物赋予的。它们食入含类胡萝卜素(Carotenoid like)的食物,类胡萝卜素可以在各器官沉积。
它们由头部,四个体节,被几丁质(chitin)构成的角质层(Cuticle)覆盖。四对脚,末端有爪子,吸盘或脚趾。由长长的细胞组成的肌肉因应体节而分布。口前有两向前突出,一个用于刺进食物,另一个则是吸收工具。前肠有很多成对腺体,薄薄的食道连接中肠。在两个目的水熊虫中肠和末肠之间有马氏管(Martensite tube),专司体内的渗透压(osmotic pressure)平衡。
神经系统的构成:咽上下神经节(Upper and lower ganglion),其中咽下神经节(Inferior pharyngeal ganglion)和腹部四个神经节链式(Ganglion Chain)相连。体腔中的细胞负责储存。水熊虫没有循环系统(circulatory system)和呼吸系统(respiratory system)。
缓步动物通常是雌雄异体(Male and female)。它们的性腺(gonad)是次体腔(Secondary cavity)(事实上,所有的节肢动物都是这样)的残留物,是不成对的囊状器官,或者是在肛门前向外开口,或者是向终肠开口。卵子并不需要事先受精就可以被排出体。
电镜下的水熊虫,水熊虫在干燥状态或环境恶化时,身体会缩成圆桶形自动脱水静静地忍耐蛰伏(隐生现象),此时会展现惊人的耐力。生命力超强,能在冷冻、水煮、风*状态下存活,甚至能在真空(vacuum)中或者放射性射线(Radioactive ray)下存活。
隐身习性
缓步动物门具有全部四种隐生(Cryptobiosis)性(即低湿隐生)(Anhydrobiosis)、低温隐生(Cryobiosis)、变渗隐生(Osmobiosis)及缺氧隐生(Anoxybiosis)),能够在恶劣环境下停止所有新陈代谢。缓步动物也因此被认为是生命力最强的动物。在隐生的情况下,一般可以在高温(151°C)、接近绝对零度(Absolute zero)(最高纪录-272.8°C)、高辐射(High radiation)、真空或高压的环境下生存数分钟至数日不等。曾经有缓步动物隐生超过120年的记录。
1、低温隐生
低温就会引起低温隐生(Low temperature latent)。缓步动物能先被冷冻再经解冻而复苏,而且不会对身体造成损坏。1975年Crowe将活动状态的Macrobiotus areolatus放到2毫升-20°C的水中。所有实验动物立刻进入小桶状态。在4°C的水中解冻只需要一分钟。80%的动物成功苏醒。神父拉门曾把水熊虫在-200°C的液态空气里泡了20个月,在-253°C的液态氮里泡了26小时,-272°C的液态氦泡8小时。结果,在之后,水熊虫们像什么都没发生似的,“复活”了。
一些极地鱼类物种会分泌防冻蛋白,自己体内不结冰。但水熊虫似乎允许体内结冰,或它能够自我修复。
2、低湿隐生
这是最常见的隐生形式,当陆生的缓步动物生活环境开始缺水时即会发生。但当它们再次接触到水的时候,它们能在很短时间之内重新活动。包括陆生缓步动物在内,只有它们身处水中才能存活。如果周边液体被稀释甚至低于体液浓度时,缓步动物就会蜷缩成桶状。背侧的甲片会层叠在一起,甲片之间的弹性角质层会收缩。进入所谓的“小桶状态”(Cask Phase)(Tönnchenform)。在“小桶状态”下,它们的新陈代谢(The new supersedes the old)速度会降低到原来的0.01%。
进入“小桶状态(Keg state)”的首要原因是缺氧(hypoxia)。实验中停止通风,缓步动物会收缩。但在水中肌肉的收缩状态不能持久。所以“小桶”遇水即会重新舒展,但个体会立即进入窒息状态(Asphyxia)。
缓步动物能渡过缺水期有前提,就是该过程是缓慢进行的而且空气湿度不能太低。干燥过程太快,缓步动物就没有时间去收缩。作违背该前提的实验,可以观察到缓步动物紧压在地表,很难复苏。
3、缺氧隐生
缺氧隐生发生于缓步动物周遭液体含氧量低于一个阈值(threshold)。开始的时候缓步动物先收缩,但后来就会伸展到最大状态,同时也是窒息状态,而且它们已没有能力排出进入体内的水分。一些种类能在缺氧状态下存活五天。缺氧隐生时缓步动物的新陈代谢状态不明。
4、变渗隐生
变渗隐生(Variable percolation)还没有很好的被观察到。变渗隐生是因为环境的渗透压升高引起的。Macrobiotus bufelandi在0.4%的盐溶液中仍然能活动。在15%的盐溶液中它会在9秒之内进入小桶状态。Echiniscoides sigismundi在淡水中会窒息,但若在三天内将它重新放到海水中,它就会苏醒过来。
高温生存
1842年,法国科学家Doyère表示“小桶状态”下的水熊虫可在125°C的水中存活数分钟。上世纪20年代,神父拉门(G.Rahm),把几只在151°C水中“煮”了15分钟的水熊“复活”。
一些生物会分泌一种叫做“海藻糖(trehalose)”的物质,海藻糖会在细胞内形成一种玻璃状物体,来稳定蛋白等重要物质。他可以控制水分子在高温下膨胀(细胞中水分子高度膨胀是致命的)。
我们会觉得水熊也使用这种方法抵御高温,但学者托马斯·布思比(Thomas Boothby),只有一些水熊会分泌海藻糖,“一部分貌似并不产生海藻糖,或者是是因糖量太低我们检测不到。”他还说到:“我们知道,水熊会分泌一种‘保护剂’,但那东西具体是什么还是个未解之谜。”
在-272℃和151℃的条件下均可存活2分钟,低温-200℃能活上几天,-20℃的环境中起码能存活30年。它能够承受的电离辐射的剂量,是人类致死剂量的数百倍。能抗住的压力大约是目前最深海沟水压的6倍,在同等压力下人可能会被压到变形。
胞囊形式
在包囊中渡过困难时期并不算是隐生的一种。
在苔藓(Moss and lichen)和干草(Hay)间生活的,特别是淡水生的种类能够通过这种胞囊的形式渡过困难时期。在这种状态下缓步动物会缩小成只有原来20%到50%的体积,降低新陈代谢甚至分解部分器官。该过程伴随有三次连续的蜕皮,结束的时候,动物就会被多层角质层外壳所包绕。在这种状态下缓步动物能存活一年。当环境改变回来,该个体能在6到48小时内脱壳而出。
胞囊的形成只会在水中发生。它远不如小桶状态那样具抵抗能力,而且其水分含量也决定了其不具有抗高温能力。
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