齒肋赤蘚形態特征，從左到右分別為其自然生境形態、植被高度及芒尖吸水現象。（圖片來源：The Innovation，2024；視覺中國）
在人類探索太空的征程中，火星一直被視為未來可能的移民地。然而，火星惡劣的環境條件給生命生存帶來了巨大挑戰。如何在這片荒蕪的土地上建立可持續的生態系，成為科學家們關註的焦點。
最近，一種具有超強環境適應能力的植物——齒肋赤蘚，給出了火星移民的一種新可能：或許我們可從重建底層生態系開始改造一顆星球，讓它漸進式地變得像地球一樣宜居。
—— 編者
在地球上是否存在這樣一種生物，它能夠耐受極端惡劣的環境，在一片荒蕪的外太空行星上，開辟出一塊生命樂土？
近日，中國科學院新疆生態與地理研究所的科研團隊在國際綜合性學術期刊【創新】上發表了一項突破性研究：一種名為「齒肋赤蘚」的沙漠苔蘚具有令人驚訝的超強環境適應能力，或許這就是人類尋覓已久的那款有望成為火星移民先鋒的植物。
神奇沙漠地毯
極端環境中的「生存專家」
廣泛分布於沙漠的齒肋赤蘚即使失去98%的細胞水分，也能在幾秒內復活，且能忍受長達5年-80℃低溫，還能承受5000格雷輻射劑量，只要生存環境恢復正常，就能再生出新的分枝
在廣袤沙漠中，齒肋赤蘚常與其他微生物和藻類等共同構成生物土壤結皮。遠遠眺望，這層結皮宛如一片深色的沙漠地毯。它的存在，似乎無聲地訴說著生命的韌性和大自然的神奇。
齒肋赤蘚的中文名巧妙地反映了其獨特的葉片形態特征。作為叢蘚科赤蘚屬的一員，它因葉片中肋呈紅色而得「赤蘚」之名；又因其葉中肋背面排列著如牙齒般的毛狀凸起，故被冠以「齒肋」之稱。
齒肋赤蘚廣泛分布於全球幹旱地區和極地等極端環境中，尤其大量存在於中國古爾班通古特沙漠和美國莫哈維沙漠。這種奇特的植物在完全脫水時呈黑色，葉片卷曲收縮；一旦接觸水分，它便展現出驚人的生命力，僅需幾秒便恢復翠綠，葉片迅速舒展開來。不過，它的神奇之處遠不止於此。研究人員發現，齒肋赤蘚能夠在極端惡劣的環境中生存，包括極度幹旱、嚴寒和強輻射等。
首先，齒肋赤蘚具有驚人的耐脫水能力。即使失去98%以上的細胞水分，它也能在數秒內恢復光合作用和生理活動。這種能力被形象地稱為「幹而不死，死而復生」。
除了耐脫水，齒肋赤蘚還表現出驚人的耐凍能力。研究人員曾將齒肋赤蘚樣本暴露在-80℃的超低溫環境中長達5年，也曾將其在-196℃的液氮中保存1個月。結果發現，這些樣本在生長條件恢復正常後仍能存活，甚至還能再生出新的分枝。
更令人驚訝的是，齒肋赤蘚的抗輻射能力堪稱生物界翹楚。研究人員將幹燥的齒肋赤蘚樣本暴露在不同劑量的Gamma射線下，發現它能夠承受高達5000格雷（Gy）的輻射劑量。要知道，對於人類來說，5—10格雷就可能致命，而大多數植物能承受的輻射劑量不超過1000格雷——齒肋赤蘚可以說是目前已知的抗輻射能力最強的生物之一。
多重保護修復機制
完美勝任火星「模擬生存」
齒肋赤蘚之所以有潛力在火星環境中生存，與它長期前進演化形成的多層次保護和修復機制密切相關，包括可極高效地從大氣中集水-輸水的智慧「裝置」、復雜的基因調控網絡等
為了進一步驗證齒肋赤蘚在火星環境中的生存潛力，研究團隊利用中國科學院國家空間科學中心的行星大氣模擬設施（PASF）對其進行火星環境模擬實驗。PASF能夠模擬火星表面的大氣壓力、氣體成分、溫度變化和紫外線輻射等關鍵環境因素。
模擬實驗中，研究人員將齒肋赤蘚樣本置於模擬火星環境中1天、2天、3天和7天。結果顯示，即使在極度幹燥、低溫、強紫外線輻射和缺氧的綜合環境下，齒肋赤蘚仍能夠存活。在恢復正常生長條件後，這些樣本表現出良好的再生能力，能夠長出新的小個體。這一結果為齒肋赤蘚可在火星環境中生存提供了直接證據。
那麽，齒肋赤蘚是如何獲得這種驚人的環境適應能力的呢？研究人員發現，這與它長期前進演化形成的多層次保護和修復機制密切相關。
在形態上，齒肋赤蘚具有特殊的葉片結構。它的葉片可重疊排列，有效保存水分並遮蔽強烈陽光，而且葉片頂端的白色芒尖能反射強烈的太陽輻射。此外，齒肋赤蘚還前進演化出了一種極其高效的從大氣中集水-輸水的智慧「裝置」。它的葉頂芒尖發育出了從微米到納米尺度的不同等級結構特征，它們完美與水分子凝結的物理學過程相匹配，從而創新性地實作了「自上而下」吸水模式。正是這些特征幫助齒肋赤蘚在極端幹旱和強輻射的環境中生存下來。
齒肋赤蘚芒尖吸水現象和結構形態。 （圖片來源：Na ture Plants，2016）
在生理和代謝水平上，齒肋赤蘚在面臨脅迫時會進入一種選擇性的代謝休眠狀態，會保留關鍵代謝物質，如蔗糖和麥芽糖。這些醣類物質可作為滲透調節劑和保護劑，幫助維持細胞結構的完整性。當環境條件改善時，這些物質又可為快速恢復生理活動提供能量。
此外，齒肋赤蘚還具有強大的抗氧化能力。研究發現，它能夠在遭受脅迫後積累大量的抗氧化酶，有效清除活性氧自由基，降低氧化損傷。
在分子水平上，齒肋赤蘚則前進演化出了復雜的基因調控網絡。科學家在它的基因組中發現了30%左右的新基因，比如與脅迫相關的晚期胚胎發生豐富蛋白基因和過氧化氫酶基因擴張等。這些基因在響應環境脅迫、維持細胞穩定性和修復損傷方面發揮著重要作用。
地球「活皮膚」
可為「火表」生態系奠基
科學家設想，未來可先將齒肋赤蘚樣本送往月球或火星，進行實地生存和生長測試。或許不遠的將來，我們有望在紅色星球上看到綠色生命的勃發
基於齒肋赤蘚展現出的超強環境適應能力，研究人員認為它有望成為火星移民的理想先鋒植物。作為一種光合自營生物，齒肋赤蘚不僅能夠在惡劣環境中生存，還能產生生物量，為重建火星表面生態系奠定基礎。
作為生物結皮的重要組成部份，齒肋赤蘚在地球上的幹旱地區發揮著至關重要的生態功能，甚至被稱為地球的「活皮膚」，在調節水文、養分迴圈等生態過程中起著關鍵作用。這些特性使得齒肋赤蘚有潛力成為火星表面生態系的奠基者。
首先，齒肋赤蘚可透過光合作用產生氧氣，為火星大氣增加氧氣含量。其次，它能夠固定火星大氣中的二氧化碳，有助於平衡火星大氣的化學成分。此外，齒肋赤蘚還能改善土壤結構，增加土壤水分保持能力和碳、氮等養分含量，為後續更高等植物定居與生長創造條件。
盡管這項研究為火星移民提供了新思路，但研究人員也強調，要在火星上建立自給自足的棲息地還有很長的路要走。科學家設想，未來可先將齒肋赤蘚樣本送往月球或火星，進行實地生存和生長測試。
同時，齒肋赤蘚的研究也為地球上的植物抗逆育種提供了新思路。透過深入研究齒肋赤蘚的抗逆基因，有望培育出更加耐旱、耐寒、抗輻射的作物品種，以應對全球氣候變遷帶來的挑戰。
這項研究不僅展示了大自然的神奇，也體現了人類探索未知的勇氣和智慧。齒肋赤蘚這種微小的生命，可能成為人類邁向星際移民的重要一步。正如研究團隊所說：「這項工作為在地球之外建立生物可持續的人類棲息地奠定了基礎。隨著研究的深入，我們或許能在不遠的將來，在紅色星球上看到綠色生命的勃發。」
>>>延伸閱讀
極限生物的生命啟示
當我們談論火星移民時，很容易聯想到科幻電影中的宏大場景：巨大的穹頂、繁忙的太空港、茂盛的農場。然而，現實中的火星移民很可能會從齒肋赤蘚這種不起眼的小生物開始。這種微小植物所展示出的驚人生命韌性不禁讓人思考：生命的極限到底在哪裏?
事實上，地球上存在著許多「極限生物」，它們的生存能力常常超出我們的想象，例如水熊蟲、南極地衣、極端嗜熱古菌等等。這些生物的存在，不僅拓展了我們對生命可能性的認知，也為尋找地外生命提供了新思路。如果這些極端生物能在地球上存在，那麽類似的生命形式是否可能在其他星球上出現?
地球上的極限生物，圖1、2為水熊蟲；圖3為南極地衣；圖4為深海火山口耐高溫細菌。
回到火星移民的話題，齒肋赤蘚為我們提供了一種漸進式的「地球化」策略。相比一步到位地改造整個星球，或許我們可以從底層生態系開始，逐步擴大適宜地球生命生存的範圍。這種方法不僅更加現實可行，也可能更符合生態系的演化規律。
然而，將地球生物引入火星也可能引發一些倫理和環境問題：我們是否有權改變另一個星球的自然狀態？如果火星上存在尚未被發現的生命形式，引入地球生物會對它們造成什麽影響？這些問題需要科學界和倫理學界共同探討。
無論如何，齒肋赤蘚的研究為我們開啟了一扇窗，讓我們得以窺見生命的無限可能。它提醒我們，在探索宇宙的過程中，有時候最小的生命可能帶來最大的啟示。正如美國著名科普作家卡爾·薩根所說：「我們是宇宙認識自己的方式。」透過研究這些極限生物，人類不僅在探索移居其他星球的可能性，也在深化對生命本質的理解。
地球上的「極限生物」
水熊蟲
這種微小的緩步動物有著驚人的生存能力，能在全球各種極端環境中繁衍生息，從寒冷的南極到炎熱的火山口。在惡劣條件下，它們能進入一種代謝幾乎停滯的隱生狀態，使它們能夠抵禦極端的溫度、輻射和壓力，甚至在此狀態下存活超過一個世紀。
南極地衣
由真菌和藻類共生形成的有機體，它們能在南極冰雪嚴寒的極端環境中頑強生長於巖石表面。它透過分泌地衣酸來溶解巖石，獲取營養，同時在冰雪融化時吸收水分。
極端嗜熱古菌
這些在高溫環境中繁榮的微生物，主要分布於深海熱泉和火山地區。它們能在超過90℃的高溫下生長，有些種類甚至能在110℃的極端條件下生存。這些古菌的酶和蛋白質具有非凡的熱穩定性，為生物技術領域提供了寶貴資源。
作者：張道遠 李小雙 楊啟林
文：張道遠 李小雙 楊啟林（張道遠 李小雙為中國科學院新疆生態與地理研究所研究員，楊啟林為該所博士） 圖：除註明外均作者供圖 編輯：劉琦 責任編輯：任荃 許琦敏
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