李小雙：從沙漠到火星的星際拓荒者，植物極端抗逆生存智慧啓示錄_風聞

從失水成灰到滴水秒活，從抵禦零下196℃極寒，到耐受零上120℃高温，是什麼秘笈使它擁有了如此強大的金剛不壞之身？走進“地球最強植物”——齒肋赤蘚的世界，探索植物的極限生存之道。

李小雙

中國科學院新疆生態與地理研究所  研究員

我來自新疆，新疆有大面積的沙漠，大家對沙漠的第一印象是什麼呢？

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我想您跟我以前一樣，是乾燥、炎熱、荒涼。

大家對苔蘚有沒有留意過呢？生長在潮濕的小溪邊、樹林間、磚縫裏。

沙漠沒有水，苔蘚愛潮濕，這兩個不太相干的東西,去交集會碰撞出什麼呢？

對，它會碰撞出我們的沙漠苔蘚，這個地球上可能最強悍的苔蘚植物~齒肋赤蘚。

這是我們新疆古爾班通古特沙漠，這個沙漠為什麼不像其他沙漠那麼荒涼呢？一個主要的小小英雄，就是我們講到的齒肋赤蘚。

大家看沙漠腹地裏面黑色的部分，其實就是我們齒肋赤蘚組成的一個羣體。因為有它作為先鋒植物，先固定在裸沙的表面，起到了保水固沙，調節碳氮循環等重要的生態功能，其他的植物，包括梭梭等都會慢慢地來融入這個家園，它們一起協作，才讓古爾班通古特沙漠不像塔克拉瑪干一樣荒涼。

其實它不足一釐米，不足一釐米什麼概念？還沒有我們一個指甲蓋的大小，但是它非常神奇，它能實現幹而不死。

在炎熱乾燥的沙漠裏面，它的最常見的狀態，幹到什麼程度？

你拿手去捏它，灰飛煙滅，但是你給它水，它立馬就給你燦爛，變綠復活，並且進行光合作用。

它的耐乾性是我的導師告訴我的，我2008年到研究所老師説有這樣一種神奇的植物，我們第一件乾的事情就是去沙漠見證它。

從完全脱水，給它水，秒級1、2、3變綠打開，旺盛地生長，如果您在沙漠裏面，你會聽到它吸水的“砰、砰、砰”的聲音。

每一個跟我走到沙漠的人無不都震驚在此，被這個小小苔蘚的驚人生命力和它的韌性和蓬勃的生機所驚歎。

我想用細節、用科學去看看它到底能脱多少的水？它到底需要多久來複活？所以我們的結論是，它能完全脱掉自身的水沒有問題，而且脱水的過程長達二十年都沒有問題。

二十年之久，你給它水，它也會實現秒級的復甦，它在給水以後三秒內能獲得水50%以上，三十秒內能恢復光合速率的70%。

講到它幹而不死，還是我的老師張道遠老師和張元明老師告訴我的，我發現了什麼呢？

這得益於我在冬天的一次去到了古爾班通古特沙漠。我看到了大雪覆蓋的古爾班通古特沙漠，大面積的苔蘚在冰晶下面依然蓬勃生長，綠意盎然。

我也爬到了海拔5000米以上的帕米爾高原，也看到了它傲然挺立的身姿。所以我當時是又驚又喜，有一個聲音告訴我，它遠不止幹而不死，它肯定在極端的抗低温、抗輻射方面也有非常驚人的表現。

所以我們和我的團隊，這十來年做的工作是在實驗室評估一下，它到底有多抗？

它偏愛的是這個世界上最極端逆境的地方，因此它的樂園，它的聚集地就決定了它天生是一個極端多抗的多面手。

那好了,我們要在實驗室告訴別人它到底有多抗。

我們是從-20℃做起的，首先打開冰箱、扔到冰箱、關上冰箱，再拿出來。對，是這樣一個過程，很簡單。

但是我的學生頭疼了一年多，他説：“老師，它凍不死？！我很頭疼！”

然後我很驚喜，我説，“這不是個很好的現象嘛！這不是我們正想看到的驚喜嘛！”所以我説，做更長時間尺度的，可以做到-80℃冰箱去。

扔進去放了五年、七年、八年，拿出來放到正常的環境，依然可以活，一週之內就可以再生新的植株出來。

然後我們上了一個更狠的，我們咬着牙，試一下液氮行不行？對，-196℃低温！我們扔到液氮裏面去做了六個月，拿出來也在幾天之內又會長出一個新的芽點，長出一個新的植株出來。

我們證明它起碼在人為可做的超低温條件下，能實現凍而不死。

怎麼證明它耐輻射呢？其實也簡單，太陽光裏面的很多UV（紫外線），對咱們的皮膚造成的輻射，造成基因突變，皮膚癌都是這種UV來造成的，所以我們在實驗室其實就是一根UV燈管，我們去照它。

結果也是新來一個碩士研究生，他非常的沮喪，因為他不清楚我們這個材料的特色，他不知道我要做抗輻射的功能。

他説，“老師，這個東西咋不死呢？是UV燈管出了問題，還是什麼問題？”

我説，“它不死是正常的，你繼續追蹤一下，一小時不行，兩小時，兩小時不行 照它一天，一週左右。”

最後他告訴我，照一二個小時，長得更猛了，照幾天好像也沒有什麼變化。“這好像不是個頭了，老師，我覺得這不是一個好的方法。”

我們新疆有個理化所，因為它有一個很厲害的鈷源伽馬輻射儀器，這是人類現在能做的最強輻射的方法之一，我們去照它。

我們證明了它能耐受至少超過5000Gy的伽馬輻射，這是什麼概念呢？我們人 只能耐受10+Gy就會死亡。

我們的苔蘚在500Gy照射以後，居然長得更大了,長得更好了。只有到1000~2000Gy，它才會有一點被受傷害的感覺，給它恢復到正常的環境以後，依然在一週內就可以再生新的植株。

所以我們就來梳理一下我們拿到的東西和證據。

能夠幹而不死，這是從我的恩師那兒傳承來的，那麼凍而不死、輻射而不死，是我們去新拓展的。

這麼多“不死”，它是金剛不壞之身嗎，它有什麼秘訣呢？這才是我最想知道的一個問題。

在我們研究所接近三十年的研究歷程中，我們初步釐清了它是一個非常聰明的小傢伙，它有非常多級的智慧和策略。

首先從它的外部形態來看，它有一個“魔法衣”，大家看到它的葉片是像瓦一樣的疊起來的，這樣起到了一個很好的防止水分散失的功效；

另外大家也可能留意到了，它上面有很多白色的，就叫芒尖系統。

這個白色的芒尖就像一個“小白帽”戴在每一個葉片的頂端，它起到什麼作用呢？白色反光，所以能夠抗一定的輻射，能夠給它降温，更重要的功能，我們跟合作者一起證明了芒尖是大自然進化出來的，極其精巧的結構。

大家看到這個白色的空腔狀的物質，它排列着非常精巧的從納米到微米，到毫米級別的，最大量去捕獲水的一個天然的人工系統。它能幹什麼呢？沙漠沒有水，但是早晚有露水，有凝結水，它能捕獲大氣中看不見的水分子，把這些水分子“拽”下來，通過芒尖最終形成水滴，滴到葉片裏被苔蘚吸收；

再往細胞層面去看，它最大的一個細胞結構基礎，就是它能夠保持在各種極端逆境下的一個細胞膜壁系統的完整性；

除了最顯而易見的膜壁系統的完整性這種高彈性以外呢，比如説它有一些非常典型的抗凍劑，糖類在裏面非常多，你雖然給它放到-80℃，這些抗凍劑在裏面起到了一個非常好的保護它的效果，讓它少形成冰晶或者避免在胞內形成冰晶；

還有一些抗滲透劑，在脱水的時候就可以維持它的一個滲透平衡；

另外任何逆境都會造成損傷，它不是不造成損傷，只是它有一支非常強大的清潔大軍，能夠很快的，非常高效的把這些損傷清除掉；

那麼最後當逆境實在是到了最極限的時候，它學會了躺平，它進入了“省電模式”，怎麼躺平？就像我們手機的省電模式，把唯一剩下來的比較微量的能量供在最主要的代謝和生命保存上來，它告訴我們要學會忍耐和等待，等待好的時機，我再讓你燦爛，再讓你秒變生命的震撼力。

我們對它的基因，包括它的基因組等也進行了十幾年的研究，發現它有非常完美的一套基因的生存密碼。

一般的逆境來了我怎麼抗，嚴重點(的逆境)來了，我哪些基因去出發、去保護、去起作用，甚至它還進化出了非常獨特的策略，尤其在幹、覆水這麼快的過程中，很多東西是來不及的，它學會了幹什麼？它學會了提前存儲。

即使這麼強的一個苔蘚植物，它還特別善於心計，它很會借力。

剛剛講到，大家看它原生境是一塊結皮，就是由苔蘚，齒肋赤蘚組成的主要成分，但是裏面其實還有一些微生物，尤其是根際微生物，還有一些看不清楚的藻類等等，這些抗逆性也非常的強，它們在一起共生，形成一個複合體，然後來抵抗環境的極端逆境。所以它是一個非常“會”會的合作者，它學會了強強聯合，美美與共。

這樣一個聰明的小小苔蘚植物，它對我們的啓發是什麼？它能不能去把我們的撒哈拉、塔克拉瑪干給綠化了呢？

那麼包括我們研究所在內的團隊，和國內的很多團隊也都在做這樣的一個嘗試，已經成功地構建了一系列的技術體系，包括苔蘚怎麼去撒、跟哪種藻去施加配置最好最優、跟哪種細菌去混合最優等等，在一些沙漠進行了一個釋放，效果現在還是比較好的。

讓苔蘚來給沙漠披綠毯是可行的，而且未來應該是大有可為的。

它這麼強，它肯定有一些幹而不死、凍而不死的基因，如果我們把這些基因密碼給到那些不曾具有這麼抗性的植物或作物裏面，能不能創造出超級植物和我們的超級作物，來應對環境變化和糧食安全呢？

這個是我們做過的工作,我們也做了十幾年。

比如説我們把一個DREB基因，苔蘚有的這個基因，幹而不死的一個關鍵基因，轉到了模式植物擬南芥裏面，我們發現確實可以讓擬南芥起死復生。如果不加這個基因進去，擬南芥80%會死亡，不能復甦。

我們在實驗室拿到結果以後，又非常驚喜地趕緊去了大田可控的嚴格條件下，去評估我們轉入這個基因，和沒有轉入基因對棉花的影響。

我們驚喜地發現，確實它在正常情況下能讓棉花長得快，長得大，高產，當逆境 節水，就是少澆水的情況下，它依然有很高的產量，它比我們沒有轉化的提高了18%~30%之間；

更讓人驚喜的是，這個材料在大田，在黃萎病的病田裏，不僅幹而不死，還實現了極強的一個抗黃萎病的抗性。黃萎病來的時候棉花基本上絕收，因為它會是一個蛀乾的病害，讓它不能吸收水分和養分，整個是絕收和沒有產量的。那麼轉了我們的基因，至少能收30%的棉花產量。

另外一個工作，我們也在想大膽地嘗試。

火星不是叫“荒漠星球”嗎？所以它能不能幹這個事情呢，上火星去把火星也綠化一下呢？

我們是正兒八經做了對比和實驗的。這個圖左邊的是我們的古爾班通古特沙漠的照片，右邊是我們在網上下載的火星上的照片，是不是非常的相似，非常的眼熟？包括火星車軋過的痕跡，跟我們卡車軋過的痕跡都如出一轍。

我們把火星跟地球的環境，尤其是大氣環境進行了比較，發現它們主要是一個什麼？是一個沒有氧氣、高二氧化碳的區別。還有就是極端低温，火星上的温度非常低，平均温度也大概在零下60℃，還有它有一些輻射等等這樣的一些複合因素。

所以我們就迫不及待地想去測試，在中科院的空間中心我們去搭建了這樣一個火星模擬艙，我們把它扔進去，一天、三天、七天、三十天，當時很膽戰心驚。當時吧，三十天拿出來再恢復的時候，看到它被燒黑的感覺，依然能長出新的芽齒後，我們確信它是可行的。

所以這個工作也是最近7月份在我們的國際期刊《創新》上，以封面進行了發表。我們認為這樣一個幹而不死、凍而不死、照而不死、火星模擬條件而不死的一個苔蘚植物，它是一個外太空拓植，尤其是火星拓植的理想先鋒，同時它除了能夠拓植，它還能釋放氧氣，還能固定二氧化碳，它還能去改良土壤，應該是一個非常好的拓荒者。

我們這個工作一經發表，在國內外也引起了巨大的一個反應和廣泛的報道。

它還能幹什麼呢？我們的科學家做了很多嘗試，它其實可以給我們提供很多思路借鑑。

剛剛講到它的芒尖可以從乾旱的水分中去捕獲大氣水，形成水滴被植物利用，所以利用這個原理，科學家們一直在致力於乾旱區的水分收集系統，一點點的收集，最後成一瓶一瓶、一桶一桶，這樣的話不僅對於我們自己人類用，尤其對一些比較極端環境的，尤其是火星，如果未來大氣中有一定水氣的話，我們就可以把它“拽”下來，是不是？

另外它的細胞壁膜系統，這麼高的彈性，不崩解，我們可不可以用它的智慧，去看看它的壁膜上是什麼成分呀，能不能為我們的仿生材料提供借鑑和新的思路，一些高彈輕質，甚至是我們的宇航服（它需要抗低温，需要極端抗輻射）的創制也會提供很多借鑑。

我們這樣一個小小的超級齒肋赤蘚，其實是地球，是大自然億萬年進化出來的智慧結晶，但是在大千世界，除了它，還有很多小小的精靈都是生命的奇蹟！

大家認識它嗎？它叫水熊蟲，它是公認的地表最強動物，它能夠實現幹而不死、凍而不死、輻射而不死，而且它是一個上過太空的，經過測試的小小動物，給大家劇透一下，其實這個小小的水熊蟲，它的最大樂園是在苔蘚的葉片上面，只是它非常小，一般人不用顯微鏡是看不到它的，這是不是苔蘚借力的另一種方式。

除了水熊蟲以外，我們的很多火山、冰川、鹽湖等等，有非常多的嗜極微生物,它們具有非常強的一個抗逆能力，抗輻射、抗酸鹼、抗熱等等。

除此之外還有我們無處不見的地衣，還有很多藻類也是非常強悍的。

提到苔蘚，除了齒肋赤蘚，其實它的近親們、遠親們，比如説銀葉真蘚、山牆蘚、對齒蘚等等，也非常的抗逆。

所以説今天我想告訴大家的，或者説我想讓大家記起來的是什麼呢？

就是不論從我們微微小的微生物，到小小的水熊蟲，再到我們小苔蘚，這些生命的奇蹟是大自然，是地球給我們的驚喜和禮物，它不僅拓展了我們對生命邊界，對生命極限的認知，而且更重要的是，它對我們認識地球本身，認識生命本身都有非常重要的借鑑意義，同時它也為我們去開拓更為廣闊的宇宙世界，打開了另一個智慧大門。

感謝這些小小的生命勇士能讓我們看見，希望它們的堅韌和智慧，能引領人類更好的未來，謝謝大家。