冰虫为什么冻不死？冰虫为何能在寒冷环境中茁壮成长

撰文：DOUGLAS MAIN

冰川冰虫能在冰冷的环境中茁壮成长，还展现出其他一些神秘特征，但其栖息地正在消失，因此成为了亟待研究的课题。

华盛顿雷尼尔山南侧的天堂冰川（ Paradise Glacier），冰虫覆盖了冰川表面。这些动物能在0°C的条件下茁壮成长，是科学界一大“悖论”。摄影： SCOTT HOTALING

乍一看，冰川好似一个没有生命的物体。但它并不像看上去那样贫瘠，这里生活着许多微小生物，它们构成了一个繁荣的寒冷生态系统。

在北美洲西部，冰虫是最常见的耐寒生物。它们长约1厘米，细如牙线，遍布太平洋西北地区、不列颠哥伦比亚省和阿拉斯加的冰川。夏季的下午和晚上，大量的黑色小虫活跃起来，它们以藻类、微生物和冰川表面的其他碎屑为食。黎明时分，它们再度钻回冰层——在冬季，消失在冰封深处。

这些虫子是蚯蚓的远亲，能够在寒冷的冰层中蓬勃生长。这种能力对大多数生物来说都是极为罕见的，特别是像冰虫这样没有任何保温措施的冷血动物。那么，冰虫是如何做到的呢？科学家们已经发现了一些端倪，他们指出，理解这些生物学上的奇怪现象非常重要，也非常紧迫。

罗格斯大学的研究员Daniel Shain25年来一直致力于冰虫的研究，他表示，了解这些动物如何忍受极端环境，可以帮助我们了解地球及地外生命的极限。

但是随着冰川的消失，冰虫也在消失。“我们希望在冰虫消失之前尽可能多地了解它们，”宾夕法尼亚州哈弗福德学院的生物学家Shirley Lang说道。如果冰川继续以目前的速度融化，“它们总有一天会消失。”

冰虫之谜

生物学定律表明，随着温度的下降，身体反应会变慢，能量水平也会下降。温血动物必须消耗能量以保持相对恒定的温度，而冷血动物在太冷的时候会变得迟钝甚至休眠。但冰虫不会。

“它们的能量水平在变冷时上升，” Shain说道。“而这是一个悖论。”

Shain和Lang在近几年发表的一系列论文中解释了其中的原因。这一切都与一种叫做ATP（三磷酸腺苷的简称）的特殊分子有关。ATP在细胞中充当能量货币，为身体内的大多数反应提供动力。它由ATP合成酶催化形成，这种酶在所有已知的生物体中几乎都相同。ATP的工作效率接近100%，这在自然界以外的任何发明中都是闻所未闻的。生物化学家对它充满敬畏。“这是一台非凡的机器，”Shain 说道。

但冰虫的ATP有一个助力系统，其体内控制ATP合成酶形成的DNA中有一个额外的片段。这种改变似乎有助于加速ATP的产生。“它就像一个涡轮，”Shain说道。

Shain说，很难解释这种进化，一种可能是冰虫偷走了高海拔真菌中发现的一大串遗传物质。如果事实的确如此，那这种基因盗取就非同寻常了，因为被盗的DNA通常不会进入产生ATP的线粒体。

除了基因的加成，冰虫还有一个特殊的细胞“恒温器”，允许ATP在寒冷时产生。这两种变化结合在一起，使得冰虫细胞内的ATP浓度比大多数生物要高得多，这有助于解释它们如何在寒冷的环境中维持能量水平。

Lang计划探索另一种解释其高能量水平的理论。冰虫富含黑色素，其大脑、肠道和肌肉中均有存在。黑色素是一种有助于保护人类皮肤免受紫外线辐射的色素。一些研究表明，在某些情况下，黑色素可能能够从太阳辐射中获取能量，Lang怀疑冰虫的耐寒性也与此有关。她希望能验证这个想法。

这种动物只生活在沿海冰川，世界其他地方都找不到，中国西藏发现过另一个类似的物种。我们对它几乎一无所知。虽然冰虫在0°C环境下生命力很强，但如果温度远低于冰点，那它们也无法忍受。

捕食者和猎物

除了难以置信的能量特征，冰虫也是我们知之甚少的生态系统的一部分。华盛顿州立大学的生物学家Scott Hotaling解释说，它们与轮虫类、缓步动物、藻类、真菌和其他微生物共存，还能作为鸟类的食物。

据Hotaling和同事观察，至少5种鸟类以冰虫为食。 Hotaling称，在雷尼尔山这样的地方，这些无脊椎动物是重要的食物来源，粉红岭雀会大量吞食冰虫，并把它们喂给雏鸟。

鸟类的捕食也可能有助于解释这些小动物是如何从一个冰川扩散到另一个冰川的。Shain说，不同的地方冰虫有着不同的基因，阿拉斯加的冰虫很可能与太平洋西北部的许多冰虫属于不同的物种。

Hotaling的研究表明，活的冰虫可以通过粘在鸟类的羽毛或脚上而移动，或者有些冰虫可能通过鸟类的肠道存活下来。例如，温哥华岛上的一群冰虫与阿拉斯加南部的一群冰虫关系密切，这表明一只或几只冰虫可能是在不久前被一只鸟带到那里的。

留给我们解开冰虫之谜的时间已经不多了。它们以前所在的一些冰川已经消失，如华盛顿州北喀斯喀特地区的莱尔和路易斯冰川。其他冰川正在萎缩。雷尼尔山南侧的尼斯奎利冰川(Nisqually Glacier)是冰虫的栖息地，2003年至2015年间，该冰川平均每10天萎缩0.9米。

进化遗传学家Joanna Kelley和Hotaling正在研究冰虫的基因组序列，但这项工作颇具挑战。部分原因是它们富含黑色素，而黑色素会附着在DNA上，干扰基因组测序技术。

（译者：陌上花开）