宇宙最强生物之杀不死水熊虫

大千世界编辑 | 发表时间 2016-08-02 22:22:43
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  世界上最顽强的动物,不是体型庞大的大象,不是不惧严寒的企鹅,也不是出了名打不死的甲由小强。真正的耐受力冠军是一种萌萌哒的微型生物——徐行动物(Tardigrades),也叫水熊虫。

  这些其貌不扬的小东西,但是地球上最顽强的动物。

 

 

人类杀不死水熊虫?它的基因组让迷信家理屈词穷

  这些其貌不扬的小东西,但是地球上最顽强的动物

  从高耸平地到无尽深海,从汩汩热泉到南极冰层,到处都有水熊虫的身影——乃至连纽约这类都会它们都受患了。它们经由过程进入一种近乎无敌的状况来应答顽劣的环境:它们再也不憨态可掬地爬动,八条腿也伸直起来,圆乎乎的身材变得憔悴舒展,排挤体内险些一切水份,进入一种被称为“隐生盏”的干壳状况。它们的推陈出新险些结束,就跟死了差不多。而彷徨在灭亡边沿的它们,恰好变得超等难以杀死。

  在隐生状况下,水熊虫不必要食品也不必要水份。它们能易如反掌地在靠近绝对零度或许高达151摄氏度的环境中生计上去。它们还能忍耐深海的宏大压力,耐受剂量足以杀死其余动物的辐射,即就是泡个毒药浴,对它们来讲也不在话下。别的,它们是至今独一裸露在外太空真空环境后另有命申报这段传奇的动物——或许说,至少它们有命产下了有活力的卵。一名研讨职员奉告我,它们独一的缺点就是“不耐机器毁伤”,换句话说:你能够捏死它们。

  几个世纪前,迷信家就晓得水熊虫的脱水能力了。但一项新研讨表现,这类能力是在以一种独特又曲折的方法,促进了它们超乎寻常的耐受力。这让它们特别轻易从细菌和其余生物体中接收外源基因——这些基因分布在它们的基因组中,比例之大,在动物界闻所未闻。

  为了更好地懂得水熊虫的演变,美国北卡罗来纳大学教堂山分校(以下简称“北卡”)的托马斯·布思比(Thomas Boothby)在结束全球初次水熊虫基因组测序,并发明了这个征象。在700种水熊虫中,轻易在实验室环境发展滋生的寥若晨星,他的小组侧重研讨了此中一种——Hypsibius dujardini。

 

 

  一开端,布思比还以为是他的小组没组装好水熊虫的基因组。数据中彷佛全是来自细菌和其余生物体的基因,而不像是动物基因。“咱们都以为是净化。”他说。也许是微生物混入了样本,招致它们的DNA掺进了水熊虫的基因组中。但很快,研讨小组就发明,这些序列确切属于水熊虫基因组。

人类杀不死水熊虫?它的基因组让迷信家理屈词穷

  蜱虫领有来自细菌的制作抗生素的基因

  经由过程脱水,水熊虫反而变成为了能吸水的“海绵”——不外,它接收的是外源基因。这对付细菌来讲其实不罕有,它们互换基因就跟人类收发电子邮件般轻易。但人们底本感  到,如许的“基因程度转移(HGT)”在动物中异常罕有。很长一段光阴,迷信家信任这类征象基本不存在,而申报的HGT案例也饱受质疑。

  近来,愈来愈多的动物基因程度转移的例子开端呈现。蜱虫领有来自细菌的制作抗生素的基因;蚜虫从真菌那边偷来了显色基因;黄蜂把病毒基因化为本身的生物武器;粉蚧壳虫应用多种微生物基因来改良炊事(译者注:粉蚧应用外源基由于本身制作重要的养分物资,如氨基酸);一种能形成咖啡植株虫害的甲虫,靠的也是从细菌那边借来的基因;另有些果蝇整合了完备的细菌基因组。另有一类被抽象地称为“空间侵略者(Space Invaders)”的基因,赓续地在蜥蜴、蛙类、啮齿类以及其余动物间转移。但大部分环境下,转移的只是一两个基因。外源基因至少只占基因组的1%阁下。

  但布思比发明,水熊虫基因组内的外源基因含量高达17.5%——盘踞了基因组的六分之一。这些外源基因中,跨越90%来自细菌,另有些来自古菌(古菌属于微生物分类学中一个自力的分支)、真菌,乃至另有动物。“这个数字异常惊人。”他说。

 

 

  类似的说辞曾被物证伪过,以是小组职员非分特别当心肠确认了这些确切是外源序列。起首,他们用PacBio平台——一种能够间接测序单份子DNA,而不需事前将其打断的测序体  系——从新测序了基因组。这证明了外源基因确切衔接在水熊虫本身的基因组上。它们都来自于统一条DNA链,也就是说不能够或许源于其余微生物净化。这些外源基因还获得了一些典型的动物基因特征,就似乎在它们细菌基因的本色以外,抹上了一层动物特点。爱荷华大学的约翰·罗思登(John Logsdon),一名研讨基因退化的学者,感到成果很靠得住。“这是一篇异常风趣又有说服力的论文。”他说。

  那末,这些基因起先是怎样进入水熊虫基因组的呢?布思比感到,谜底就隐藏在水熊虫的三个神怪的生物学特征中。起首,它们能脱水,在这一过程当中,它们的DNA份子会自然地断裂成小段;其次,它们能经由过程吸水重获重生,在这个过程当中,它们细胞变得千疮百孔,因此能够或许从环境中接收包含DNA在内的各类份子;末了,它们异常长于修复DNA,修补脱水形成的毁伤。

 

  它们异常长于修复DNA,修补脱水形成的毁伤

  “以是,咱们感到水熊虫在脱水时,DNA会和环境中的细菌及其余生物体的DNA一路断裂。”布思比解释道,“这些份子在它们吸水时进入细胞。而当水熊虫将本身基因组衔接到一路的时刻,能够或许不当心把细菌基因也连了出去。”

  这些基因有功效吗?今朝,研讨小组发明水熊虫启动了一些借来的基因,在其余生物体中,这些基因与反抗环境压力相干。这是一项使人兴趣盎然的发明:这阐明,它们传奇般的耐受能力能够或许至少有一部分得归功于细菌奉送的基因。研讨者还筹划慢慢灭死水熊虫的外源基因,看它们能否会落空那传奇般的无敌能力。

 

 

  斯图加特大学的拉尔夫·希尔(Ralph Schill)还指出,Hypsibius dujardini不外是徐行动物家属的废柴——事实上,它们其实不那末长于抵御干旱环境。也许那些比它们更胜一筹,在极度严寒、极度酷热、凋谢真空环境中都面不改色的亲戚的基因组中隐藏着更难以想象的机密。

   但是,仅仅一周后,北卡研讨组的这些概念就遭到动摇了。

  另外一来自爱丁堡大学的研讨小组也对统一供给商供给的同种水熊虫结束了基因组测序,他们的预印论文地下的研讨成果却天差地别:他们只找到了极少量的程度转移基因——少至仅仅36个,至少也就500个。他们感到,北卡小组测序了同水熊虫一路生活的细菌的DNA,只管他们曾经努力了,但照样误将这些基因当做了水熊虫的基因。

人类杀不死水熊虫?它的基因组让迷信家理屈词穷

  杀不死的水熊虫

  之以是会呈现如许的争辩,是由于到今朝为止,迷信家还没有能够或许持续测序基因组的技巧,以是他们得将DNA打坏,再测序这些DNA片断,并将这些测序片断(read)组装成持续的完备基因组。在这个过程当中,动物的各个基因的测序片断的数量应该是差不多的。但爱丁堡小组在反省本身的数据时,发明有些测序片断数量特别罕有,而另外一些测序片断的数量却高达它们的10倍。“从生物学上来看,这些片断不能够或许来自统一基因组。”团队领头人马克·布拉克斯特(Mark Blaxter)说。事实上,这些罕有的测序片断很能够或许来自隐匿在水熊虫身旁的细菌。研讨小组细心肠清算了他们的数据,撤除了这些净化序列。

 

 

  终极,水熊虫基因组中还剩下约500个能够或许来自于微生物的基因,但他们仍旧感到此中大部分都是净化,只是临时还没有消除。只要36个基因有确实证据证明它们是从细菌基因组中程度转移而来的——对付动物基因组,这个数量在失常范围内。

  而当爱丁堡小组还在结束数据优化的时刻,北卡小组的论文就发出来了——宣称水熊虫基因组中有6600个程度转移基因。他们极其震动,但照样立即阐发了由北卡小组的鲍勃·高德斯坦(Bob Goldstein)敏捷上传到服务器的数据。

  使人担忧的是,他们发明北卡的数据包含了许多他们没见过的测序片断——可他们测序的是统一种动物啊!而这些出没无常的测序片断大部分都很罕有。基于这点,爱丁堡小组感到北卡小组组装的基因组中有也许30%来自微生物净化。

  “假如真是如斯,那他们就糟了。”蒙塔纳大学的约翰·麦卡钦(John McCutcheon)说,“但这也很让人惊奇,由于(北卡小组的)大部分事情都异常当心,我感到他们不会遗漏这类环境(微生物净化)。”

人类杀不死水熊虫?它的基因组让迷信家理屈词穷

  这些出没无常的测序片断大部分都很罕有

 

 

  比如说,北卡小组重点研讨了他们组装的基因组的107个位点,在这些位点上,源于细菌的基因彷佛都紧邻动物基因。他们应用一种技巧,从这些基因对的末尾开端,复制其间的一切DNA。假如这类技巧见效——大部分也确切见效了——那就阐明两个基因确切是连在统一条DNA链上的,也就是说,源于细菌的基因不能够或许是净化招致的(译者注:北卡小组在组装好的基因组中,遴选了107个包含外源基因和动物基因,或是包含两个外源基因的片断作为目的序列结束PCR,得到了104个巨细符合的扩增产品)。别的,这107个基因中有54个都在爱丁堡小组列出的疑似程度转移的500个基因名单中。

  在很大程度上,这个成绩取决于对那6600个被认定是自细菌转移来的基因此言,这107个基因对究竟有无代表性。北卡小组感到如斯;爱丁堡小组则不以为然。

  亚历桑那大学的大卫·巴尔特鲁斯(David Baltrus)和两个小组均无纠葛,他说:“我的直觉奉告我,北卡的论文作者——也许并不是故意——在遴选这组随机基因对时,有所偏颇了。”

  “我想信任普遍的基因程度转移真的发生了,由于这会是个超棒的研讨。”巴尔特鲁斯说,“但成绩是,超常的论点必要超常的证据支撑。”

  北卡小组的概念遭到质疑另有其余缘故原由。他们估量水熊虫的基因组包含2亿5千万个碱基。爱丁堡小组一开端也这么想,但撤除潜伏细菌净化后,他们得到了一个小得多的基因组——仅包含1亿3千5百万个碱基。这与其余迷信家依据动物细胞巨细估量的基因组巨细要靠近得多。对此,麦卡钦说,测序其余水熊虫的基因组会有所赞助。假如这些被判断是程度转移的基因也存在于其余种的水熊虫基因组内,“那将是异常无力的证据。”

  与此同时,爱丁堡小组的苏杰·库玛(Sujai Kumar)表现:“全部变乱就是凋谢迷信的一次成功。”要不是北卡小组志愿而敏捷地地下了他们的数据,他的共事们也无法实现阐发。即使只是在短短数年前,他们也基本没处所上传论文原稿,也就无法具体论述相互矛盾的成果来供其余迷信家浏览和评论辩论——而如今,第二篇论文的颁发光阴与第一篇论文只差九天。

 

 

  “迷信超常的敏捷自我改正的新能力露出无疑。”布拉克斯特说,“几十年前,要消耗数月能力理清的成绩,如今刹时就成为了环球出色迷信家的存眷核心,他们能够或许提出成绩、请求作者上传数据、推想能够或许的重生物学实践,并个人确保迷信树立在颠末验证的推理之上。”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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