齒肋赤蘚形態(tài)特征，從左到右分別為其自然生境形態(tài)、植被高度及芒尖吸水現(xiàn)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(huán)境條件給生命生存帶來了巨大挑戰(zhàn)。如何在這片荒蕪的土地上建立可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)，成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點。

最近，一種具有超強環(huán)境適應(yīng)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(tài)系統(tǒng)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(huán)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(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所的科研團隊在國際綜合性學(xué)術(shù)期刊《創(chuàng)新》上發(fā)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(huán)境適應(yīng)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(huán)境中的“生存專家”

廣泛分布于沙漠的齒肋赤蘚即使失去98%的細胞水分，也能在幾秒內(nèi)復(fù)活，且能忍受長達5年-80℃低溫，還能承受5000戈瑞輻射劑量，只要生存環(huán)境恢復(fù)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(gòu)成生物土壤結(jié)皮。遠遠眺望，這層結(jié)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(tài)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。

齒肋赤蘚廣泛分布于全球干旱地區(qū)和極地等極端環(huán)境中，尤其大量存在于我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(xiàn)出驚人的生命力，僅需幾秒便恢復(fù)翠綠，葉片迅速舒展開來。不過，它的神奇之處遠不止于此。研究人員發(fā)現(xiàn)，齒肋赤蘚能夠在極端惡劣的環(huán)境中生存，包括極度干旱、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(shù)秒內(nèi)恢復(fù)光合作用和生理活動。這種能力被形象地稱為“干而不死，死而復(fù)生”。

除了耐脫水，齒肋赤蘚還表現(xiàn)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(huán)境中長達5年，也曾將其在-196℃的液氮中保存1個月。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些樣本在生長條件恢復(fù)正常后仍能存活，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。研究人員將干燥的齒肋赤蘚樣本暴露在不同劑量的伽馬射線下，發(fā)現(xiàn)它能夠承受高達5000戈瑞（Gy）的輻射劑量。要知道，對于人類來說，5—10戈瑞就可能致命，而大多數(shù)植物能承受的輻射劑量不超過1000戈瑞——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(fù)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(huán)境中生存，與它長期進化形成的多層次保護和修復(fù)機制密切相關(guān)，包括可極高效地從大氣中集水-輸水的智慧“裝置”、復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等

為了進一步驗證齒肋赤蘚在火星環(huán)境中的生存潛力，研究團隊利用中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心的行星大氣模擬設(shè)施（PASF）對其進行火星環(huán)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(guān)鍵環(huán)境因素。

模擬實驗中，研究人員將齒肋赤蘚樣本置于模擬火星環(huán)境中1天、2天、3天和7天。結(jié)果顯示，即使在極度干燥、低溫、強紫外線輻射和缺氧的綜合環(huán)境下，齒肋赤蘚仍能夠存活。在恢復(fù)正常生長條件后，這些樣本表現(xiàn)出良好的再生能力，能夠長出新的小個體。這一結(jié)果為齒肋赤蘚可在火星環(huán)境中生存提供了直接證據(jù)。

那么，齒肋赤蘚是如何獲得這種驚人的環(huán)境適應(yīng)能力的呢？研究人員發(fā)現(xiàn)，這與它長期進化形成的多層次保護和修復(fù)機制密切相關(guān)。

在形態(tài)上，齒肋赤蘚具有特殊的葉片結(jié)構(gòu)。它的葉片可重疊排列，有效保存水分并遮蔽強烈陽光，而且葉片頂端的白色芒尖能反射強烈的太陽輻射。此外，齒肋赤蘚還進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(fā)育出了從微米到納米尺度的不同等級結(jié)構(gòu)特征，它們完美與水分子凝結(jié)的物理學(xué)過程相匹配，從而創(chuàng)新性地實現(xiàn)了“自上而下”吸水模式。正是這些特征幫助齒肋赤蘚在極端干旱和強輻射的環(huán)境中生存下來。

齒肋赤蘚芒尖吸水現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)形態(tài)。 （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(tài)，會保留關(guān)鍵代謝物質(zhì)，如蔗糖和麥芽糖。這些糖類物質(zhì)可作為滲透調(diào)節(jié)劑和保護劑，幫助維持細胞結(jié)構(gòu)的完整性。當環(huán)境條件改善時，這些物質(zhì)又可為快速恢復(fù)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(fā)現(xiàn)，它能夠在遭受脅迫后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，齒肋赤蘚則進化出了復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。科學(xué)家在它的基因組中發(fā)現(xiàn)了30%左右的新基因，比如與脅迫相關(guān)的晚期胚胎發(fā)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(yīng)環(huán)境脅迫、維持細胞穩(wěn)定性和修復(fù)損傷方面發(fā)揮著重要作用。

地球“活皮膚”

可為“火表”生態(tài)系統(tǒng)奠基

科學(xué)家設(shè)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(fā)

基于齒肋赤蘚展現(xiàn)出的超強環(huán)境適應(yīng)能力，研究人員認為它有望成為火星移民的理想先鋒植物。作為一種光合自養(yǎng)生物，齒肋赤蘚不僅能夠在惡劣環(huán)境中生存，還能產(chǎn)生生物量，為重建火星表面生態(tài)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

作為生物結(jié)皮的重要組成部分，齒肋赤蘚在地球上的干旱地區(qū)發(fā)揮著至關(guān)重要的生態(tài)功能，甚至被稱為地球的“活皮膚”，在調(diào)節(jié)水文、養(yǎng)分循環(huán)等生態(tài)過程中起著關(guān)鍵作用。這些特性使得齒肋赤蘚有潛力成為火星表面生態(tài)系統(tǒng)的奠基者。

首先，齒肋赤蘚可通過光合作用產(chǎn)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，有助于平衡火星大氣的化學(xué)成分。此外，齒肋赤蘚還能改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤水分保持能力和碳、氮等養(yǎng)分含量，為后續(xù)更高等植物定居與生長創(chuàng)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(diào)，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(xué)家設(shè)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。通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(yīng)對全球氣候變化帶來的挑戰(zhàn)。

這項研究不僅展示了大自然的神奇，也體現(xiàn)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(xù)的人類棲息地奠定了基礎(chǔ)。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(fā)。”

>>>延伸閱讀

極限生物的生命啟示

當我們談?wù)摶鹦且泼駮r，很容易聯(lián)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(nóng)場。然而，現(xiàn)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里?

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，那么類似的生命形式是否可能在其他星球上出現(xiàn)?

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(tài)系統(tǒng)開始，逐步擴大適宜地球生命生存的范圍。這種方法不僅更加現(xiàn)實可行，也可能更符合生態(tài)系統(tǒng)的演化規(guī)律。

然而，將地球生物引入火星也可能引發(fā)一些倫理和環(huán)境問題：我們是否有權(quán)改變另一個星球的自然狀態(tài)？如果火星上存在尚未被發(fā)現(xiàn)的生命形式，引入地球生物會對它們造成什么影響？這些問題需要科學(xué)界和倫理學(xué)界共同探討。

無論如何，齒肋赤蘚的研究為我們打開了一扇窗，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。”通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(zhì)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(huán)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(tài)，使它們能夠抵御極端的溫度、輻射和壓力，甚至在此狀態(tài)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(huán)境中頑強生長于巖石表面。它通過分泌地衣酸來溶解巖石，獲取營養(yǎng)，同時在冰雪融化時吸收水分。

極端嗜熱古菌

這些在高溫環(huán)境中繁榮的微生物，主要分布于深海熱泉和火山地區(qū)。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(zhì)具有非凡的熱穩(wěn)定性，為生物技術(shù)領(lǐng)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(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所研究員，楊啟林為該所博士） 圖：除注明外均作者供圖 編輯：劉琦 責(zé)任編輯：任荃 許琦敏

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