2010年4月22日 星期四

生命一定有辦法

不久前,一班科學家在南極冰層鑽洞,放下攝錄機拍攝冰層底下的情況;此處其實是一個湖,一個被冰川覆蓋的湖,冰層厚 600 英尺,離海洋 20 公里,科學家從沒料到會看見任何生物,至少是肉眼能見的生物。怎知,一隻橙紅色的蝦忽然出現,在鏡頭前游弋了一分鐘之久。冰層下沒有生命這個想當然的假設,被一隻蝦徹底打破,而那隻蝦亦頓時成為世上最著名的蝦。

人類的其中一個「陋習」,就是經常低估生命,我們認為環境惡劣,便以為所有生物都覺得環境惡劣。英語有云,Life always finds a way,生命一定有辦法。我們的地獄,是其他動物的天堂也說不定,好壞優劣,全是人類自我中心的流露。

有氧氣才有生命,對嗎?事實上,不少單細胞生物能在沒有氧氣的環境生存。

較高等的多細胞生物又怎樣?有氧氣才有高等生命,對嗎?某些多細胞生物能夠在無氧狀態下生存一段時間,但終生不需氧氣的,未見過。

應該是幾星期前還未見過,今年 4 月 6 日的 BMC Biology(一份容許公眾免費審閱的學術刊物)公開了一種能夠永久活在無氧環境下的多細胞生物,對科學界而言,這是重大發現。此前,科學家一直以為有氧氣才有多細胞生物,這個想當然的假設被一群身長不及一毫米的「鎧甲類」(Loricifera,左圖)打破。

鎧甲類是動物中的一「門」(phylum)。舉一個比較易明的例子,平時我們說貓「科」動物,把所有似貓的動物涵蓋在一「科」(family)之下。貓和狗顯然屬於不同「科」,但牠們同屬哺乳「綱」(class)。哺乳類和魚類屬於不同「綱」,但同屬脊索動物「門」。門、綱、科 -- 生物分類就是這樣層層遞進,每層都有一個名字,實際上不只三層,這裡只為帶出「門」的意義。我們最熟悉的一「門」固然是脊索動物門,最討厭的蟑螂和蒼蠅、最愛吃的蝦和蟹皆屬於節肢動物門(Arthropoda),肚子裡的蛔蟲則屬線蟲動物門(Nematoda),剛剛發現不用氧氣的屬於鎧甲動物門。

牠們在哪裡被發現呢?地球哪處「缺氧」?地中海的海底有些盆地(basin),由於海床的化學成分,令盆地內的海水超鹹,亦即超重,密度達 1.23 g/cm3(一般海水的密度是 1.02 g/cm3),故盆地的海水很難與上面的海水混和,遂缺氧。

假設你是希臘人,想逃離祖國的債務危機,可以乘船向南橫過地中海,投向對岸利比亞狂人卡達菲的懷抱,怎知航程行了一半,船隻入水下沉,姑勿論你的死活,船隻葬身的海床很可能就是那些缺氧盆地,船上廁所內的細菌即使敵得過強大的水壓和超高的鹽分,也未必挨得過缺氧的一關,大部分生命都會畫上句號。

(主要海底盆地位置,Source: Ref. 2)

一班意大利的科學家到這裡打撈(準確點說,是上圖 Atalante 盆地),當然不是打撈沉船,而是打撈海床的泥,看看有何發現。他們把海泥帶回實驗室分析,竟然發現三門動物,全是上面提過的:節肢、線蟲、鎧甲。不過,顯微鏡下的全是屍體,怎分辨「土生土長」還是海洋上層死掉後「從天而降」呢?

科學家利用一些只會依附在蛋白質的顏料,嘗試把屍體染色,動物死後體內的蛋白分解,死了愈久,染色愈淺,他們發現,前二者的顏色非常淺,與鎧甲類的鮮艷(左圖)成強烈對比。然而,缺氧環境下,屍體和蛋白可能保存較長時日不足為奇,作為「土生土長」的證據,這未夠說服力。另一方面,這堆海泥的鎧甲類多得令人吃驚,達每平方米 75-701 隻,是有史以來找到的最高密度,過去 40 年在地中海深處也不過找到兩隻(我沒寫錯,是兩隻)。這班科學家也不是新手,自 1989 年便研究盆地周圍的(有氧)海床,從沒發現任何鎧甲類的蹤影。多方面的線索皆指向「土生土長」,但治學嚴謹的科學家需要更確鑿的證據。

他們再撈一次海泥,今次不是帶回實驗室,而是在船上實地活生生的測試,首先把海泥放到漆黑缺氧的環境,然後注入一些具幅射的氨基酸,看看有否被鎧甲類吸收。氣壓及溫度雖然與海床有異,但細胞沒有爆破的痕迹,鎧甲類亦有吸收那些具幅射的氨基酸,這項證據夠說服力了 -- 鎧甲類的確在缺氧的海床「土生土長」。

另一相關發現,是牠們沒有粒線體(mitochondria),取而代之的是「氫源體」(hydrogenosome,找不到譯名,中譯為我自創)。粒線體可說是細胞的「發電機」,負責拆開葡萄糖釋放能量,是細胞的能量之源,所有耗氧的多細胞生物都有;粒線體依賴氧氣運作 -- 我們需要氧氣,因為粒線體需要氧氣。本文的鎧甲類不需氧氣,一是牠們的粒線體經過改良,不用氧氣也能「發電」,一是牠們有另一類型的「發電機」。至於牠們體內的氫源體是粒線體的改良版,或是全新類型,現在還不清楚。

以上新發現發表後不久,論文預印本網站 arXiv 有另一篇研究,說加勒比海千里達的某個瀝青湖亦發現微生物,湖內只有碳氫氣體、二氧化碳和極少水分,沒有人想過會有任何生命 -- 又一個想當然的假設被一群微生物打破。

或者我也不應揶揄科學家,他們既然到那些「惡劣」環境尋找,表示他們亦懷疑那裡有生命,換句話說,那些「發現」並非完全意料之外,只不過他們常作驚訝之狀,令人覺得每次都是驚世發現。現在知道,有些多細胞生物不需要氧氣,有些單細胞生物甚或不需要水,下一個驚世發現會是什麼?不需要水的多細胞生物?氧和水這些所謂的生命要素原來不是什麼「要素」,唯一真正的「要素」是不是只剩下碳?我認為,找到不是由碳組成的另類生命(可叫作「非碳生命」),才是真正的驚世發現。

(2010 年 4 月 22 日 信報副刊)

其他報道:
07 Apr 2010, Culturing Science
Animals without oxygen and their implications for the evolution of life

07 Apr 2010, New Scientist
Zoologger: The mud creature that lives without oxygen

07 Apr 2010, The Scientific Activist
Anaerobic Animals Discovered on Sea Floor

07 Apr 2010, AK's Rambling Thoughts
Animals Without Oxygen

References:
[1] Roberto Danovaro, et al. (2010), “The First Metazoa Living in Permanently Anoxic Conditions,”BMC Biology 8, 30.

[2] Andrea Sass, et al. (2001), “Microbial Communities in the Chemocline of a Hypersaline Deep-Sea Basin (Urania Basin, Mediterranean Sea),”Applied and Environmental Microbiology 67, 12, 5392–5402.

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