从沙漠到火星：齿肋赤藓的极限生存之路
从沙漠到火星：齿肋赤藓的极限生存之路
极端环境中的生命体如何生存？能否有潜力拓殖至地外星球并开启生命的演化及演替？我们的研究聚焦于一种沙漠苔藓—齿肋赤藓，该藓能耐受自身98%以上的细胞脱水、-196°C超低温速冻、5000 Gy以上伽马辐照而不死，且在火星模拟条件下仍能存活并再生出新的植株。这一研究刷新了极端生命体对环境的“耐受”新记录，并为未来火星定殖及生态系统重建提供了新的可能。了解齿肋赤藓的生存极限及适应策略，可为人类探索外太空、打造宜居星球提供灵感，并为开拓地外新家园提供理想“利器”。
图1 图文摘要
极端环境生物是生命的奇迹，代表着生命对环境的极限适应能力。为了适应极端环境（干燥、寒冷、高温、辐射等），它们演化出了令人惊叹的特殊“本领”，是极其珍贵的战略生物资源。极端生物及其适应性的研究对于探索生命奥秘、揭示地球生命起源与演化、实现地外星球拓殖等均有重要意义。一种来自新疆沙漠的小小苔藓植物齿肋赤藓，展现出了非凡的环境适应能力，是探索生命生存极限的典型代表。本研究经过严谨的科学实验，首次系统证明该藓能耐受自身98%以上的细胞脱水实现“干而不死”、耐受196°C超低温速冻实现“冻而不死”、耐受超过5000 Gy伽马辐射实现“照而不死”。这些数据是目前所报道植物可耐受特殊环境的极限，刷新了我们对极端生物环境耐受性的认知。
那么，这种苔藓是如何做到这一切的呢？首先，它的形态结构就为其适应极端环境提供了优势。它的叶片重叠，可以减少水分蒸发，叶顶端白色的芒尖还能反射强烈的阳光；此外，芒尖发育出从微米至纳米不同等级的结构适应特征，并完美与水分子形成的物理学过程相匹配，创新性实现了“自上而下”吸水模式，是一种极其高效的从大气中集水-输水的智慧装置（Nature Plants，2016）；再者，在生理和代谢层面，齿肋赤藓能够在逆境中进入一种选择性代谢休眠状态，保留关键代谢产物，如蔗糖和麦芽糖，这些物质不仅作为渗透剂保护细胞结构，还能在逆境解除后迅速提供恢复所需的能量。它还具有很强的清除体内氧自由基的能力，通过积累高水平的抗氧化酶来保护自身免受损伤。
此外，我们的研究还发现，在复合多重逆境的火星模拟条件下（650±30 Pa，-60°C ~20°C，95%CO2，多种UV辐射)，该种仍能存活并在恢复适宜环境后能再生出新的植株。这也是高等植物在火星模拟条件下存活的首次报道。据报道，该种是沙漠极端环境的“先锋物种”，并通过保水固沙、促进碳氮循环、改善土壤肥力等改善土壤及大气环境，利于其他荒漠植物的定居及存活。因此，我们有理由相信并期待，在类似火星的环境中，这种极端耐干苔藓也可通过类似自然演替过程“改造”环境，进行它的星际拓荒之旅。
总结与展望
打造类似地球的“绿色”宜居星球，开启地外新家园，一直是科学家们孜孜以求的梦想。找寻适应外太空环境的极端生命体并尝试重启生命起源与进化的进程，创造绿色家园，是一项雄心勃勃且令人期待的事业。未来，基于齿肋赤藓的极端环境耐受性，我们将进一步开展地外星球航空器搭载实验，并实时监测微重力及多种电离辐射逆境下该物种的生存响应及适应能力，并解析其生理及分子基础，探寻关键的生命耐受调控密码，为未来特殊环境生命体的外太空生命演化过程提供新认知，并为该种的外太空拓殖应用奠定基础。
本文原文来自Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第四期以Report发表的“The extremotolerant desert mossSyntrichia caninervisis a promising pioneer plant for colonizing extraterrestrial environments” (投稿: 2024-04-16；接收: 2024-06-08；在线刊出: 2024-07-01)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100657
引用格式：Li X., Bai W., Yang Q., et al. (2024). The extremotolerant desert mossSyntrichia caninervisis a promising pioneer plant for colonizing extraterrestrial environments. The Innovation 5(4), 100657。
作者简介
李小双，中国科学院新疆生态与地理研究所研究员，研究领域为植物极端逆境适应和响应机制，在Plant Journal，Plant Physiology等期刊发表论文70余篇。
匡廷云，中国科学院院士，中国科学院植物研究所研究员，研究领域为植物光合作用、光合膜、叶绿素蛋白复合体结构与功能解析，在Science，Nature Plants等发表论文550余篇。
张元明，中国科学院新疆生态与地理研究所研究员，研究领域为生态过程与生物适应，在Nature Plants等期刊发表论文300余篇。
张道远，中国科学院新疆生态与地理研究所研究员，研究领域为植物逆境分子生物学，在Nature Communications，Plant Physiology等发表论文200余篇。