專題：2024年CC講壇

　　由北京君和創(chuàng)新公益基金會、中國科學(xué)院大學(xué)校友會聯(lián)合主辦，主題為“和而不同，思想無界”的CC講壇第61期演講2024年8月24日在中國科學(xué)院大學(xué)（北京玉泉路校區(qū)）禮堂舉行。來自中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所 博士生導(dǎo)師李小雙研究員出席，并以《從沙漠到火星的星際拓荒者，植物極端抗逆生存智慧啟示錄》為題發(fā)表演講。

　　以下為演講實(shí)錄：

　　我來自中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，今天給大家介紹一個(gè)神奇的沙漠苔蘚植物。

　　新疆有大面積的沙漠，大家對沙漠的第一印象是什么呢？是干燥、炎熱、荒涼，小小的苔蘚植物是不是多數(shù)與水為伴，生長在潮濕的小溪邊、樹林間、樹皮上潮濕的生境。

　　 沙漠沒有水，苔蘚愛潮濕，這兩個(gè)不太相干的東西交集，會碰撞出什么呢？對，會碰撞出我們地球上可能最強(qiáng)悍的苔蘚植物~齒肋赤蘚。

　　這是新疆的古爾班通古特沙漠，它也是我們中國的第二大沙漠。沙漠為什么不像其他沙漠那么荒涼？

　　大家看到沙漠腹地里面黑色的部分，其實(shí)就是齒肋赤蘚組成的一個(gè)群體，那么因?yàn)橛兴鳛橄蠕h植物，先固定在裸沙的表面，起到了保水、固沙、調(diào)節(jié)碳氮循環(huán)等重要的生態(tài)功能，其他的植物包括梭梭等，都會慢慢來占領(lǐng)家園。它們一起協(xié)作，才讓我們的古爾班通古特沙漠不像塔克拉瑪干一樣荒涼。

　　我們近距離來看一下苔蘚植物，這是它組成的黑色的群體，那么我們把它摳一塊出來看，其實(shí)它就像一個(gè)小衛(wèi)士一樣在保衛(wèi)著沙漠，其實(shí)它不足一厘米，不足一厘米什么概念？還沒有我們一個(gè)指甲蓋的大小，但是它非常神奇，它能實(shí)現(xiàn)干而不死。

　　大家看到了這個(gè)黑色狀態(tài)是在我們炎熱干燥的沙漠里面，它的最常見的狀態(tài)。干到什么程度？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(fù)活，并且進(jìn)行光合作用。

　　它的耐干性是我的導(dǎo)師告訴我的，我2008年到研究所，老師說有這樣一種神奇的植物，而我要自己去沙漠看一看，所以直到現(xiàn)在，我的學(xué)生每次從研究生院上完課回來，第一件干的事情就是去沙漠見證它。

　　大家是不是已經(jīng)感覺到了震撼力，從完全脫水，給它水，秒級1、2、3，變綠打開，旺盛生長。如果你在沙漠里面，你會聽到它吸水的“嘭、嘭、嘭”的聲音。所以每一個(gè)我?guī)麄冋J(rèn)識苔蘚的人，每一個(gè)跟我走到沙漠的人，無不都震驚在此，被這個(gè)小小苔蘚的驚人生命力和它的韌性和蓬勃的生機(jī)所驚嘆。

　　我們就把它帶回了實(shí)驗(yàn)室，我想做什么呢？我想用細(xì)節(jié)科學(xué)地去看看，它到底能脫多少的水，它到底需要多久來復(fù)活？

　　我們的結(jié)論是，它能完全脫掉自身的水，沒有問題，而且脫水的過程長達(dá)二十年都沒有問題。二十年之久，你給它水，它也會實(shí)現(xiàn)秒級的復(fù)蘇，給水以后三秒內(nèi)能獲得水50%以上，30秒內(nèi)能恢復(fù)它光合速率的70%，大家是不是馬上想到了“三體人”？對，我覺得它就是一個(gè)“三體植物”。

　　講到它干而不死，還是我的老師張道遠(yuǎn)老師和張?jiān)骼蠋煾嬖V我的，那我發(fā)現(xiàn)了什么呢？這得益于我在冬天的一次去到了古爾班通古特沙漠。

　　夏季的是黑乎乎的休眠狀態(tài)，脫水的狀態(tài)。那么冬季它卻在蓬勃生長。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。那么借著新疆三考的機(jī)會，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(dāng)時(shí)是又驚又喜。

　　有一個(gè)聲音告訴我，它遠(yuǎn)不止干而不死，它肯定在極端的抗低溫、抗輻射方面也有非常驚人的表現(xiàn)。

　　所以我和我的團(tuán)隊(duì)這十來年做的工作是，在實(shí)驗(yàn)室評估一下它到底有“多抗”。

　　它的抗性，如果從大的地理格局上其實(shí)也能找到線索。這個(gè)苔蘚除了最大的樂園在我們中國新疆的古爾班通古特沙漠，它在美國的莫哈維沙漠，在我們的帕米爾高原、青藏高原，在兩極都有分布，尤其偏愛的是這個(gè)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(gè)極端多抗的多面手。

　　好了，我們要在實(shí)驗(yàn)室告訴別人，它到底有“多抗”呢？

　　其實(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)很簡單，大家都可以做，拿回去把菜扔到冰箱，對吧？不過大家是放到4℃冰箱，我們是從-20℃做起的。

　　三個(gè)步驟，很簡單，首先打開冰箱、扔到冰箱，關(guān)上冰箱這樣一個(gè)過程，很簡單。但是我的學(xué)生頭疼了一年多，他說：“老師，它凍不死，我很頭疼！”，然后我很驚喜，我說，“這不是個(gè)很好的現(xiàn)象嗎？這不是我們最想看到的驚喜嘛！”

　　所以我說，做更長時(shí)間尺度的。我們把它放到了最低溫的一個(gè)冰箱里，-80℃，扔進(jìn)去，放了五年、七年、八年，拿出來，放到正常的環(huán)境，依然可以活，一周之內(nèi)就可以再生新的植株出來。

　　然后我們上了一個(gè)更狠的，我們咬著牙，試一下液氮，行不行？你們知道液氮是什么概念嗎？-196℃的低溫！還沒有什么東西可以整個(gè)放到液氮里面去保存，這也是咱們?nèi)祟愊胗郎囊粋€(gè)策略，去凍藏后再復(fù)蘇，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有實(shí)現(xiàn)，我們的可以，我們?nèi)拥揭旱锩嫒プ隽艘粋€(gè)月、六個(gè)月，拿出來，也在幾天之內(nèi)，又會長出新的芽點(diǎn)，長出一個(gè)新的植株出來，所以我們是被它驚嘆到的，我們證明它起碼在人為可做的超低溫條件下，能實(shí)現(xiàn)凍而不死。

　　剛才講到耐輻射，對吧？帕米爾高原5000多米海拔，長得非常好，怎么證明它耐輻射呢？

　　其實(shí)也簡單對吧？太陽光里面很多UV（紫外線）對咱們皮膚造成的輻射，造成基因突變，皮膚癌都是UV來造成的，所以我們在實(shí)驗(yàn)室很容易得到一個(gè)超凈工作臺，里面其實(shí)就是一根UV燈管，我們?nèi)フ账?。新來的一個(gè)碩士研究生，他非常的沮喪，因?yàn)樗磺宄覀冞@個(gè)材料的特色，不知道我要做抗輻射的功能。

　　他說：“老師，這個(gè)東西咋不死呢？是UV燈管出了問題、還是什么？”

　　我說：“它不死是正常的，你繼續(xù)去追蹤一下，一小時(shí)不行，二小時(shí)，再不行照它一天、一周左右?！?/p>

　　最后他告我，“照一、二個(gè)小時(shí)，它漲得更猛了，照幾天好像也沒有什么變化，老師，我覺得這不是一個(gè)好的方法?！?/p>

　　我說好，我就咬咬牙、跺跺腳，去了旁邊的理化所，我們新疆有個(gè)理化所，為什么去那里？為什么跺腳？因?yàn)樗幸粋€(gè)很厲害的鈷源輻射的機(jī)器，很貴呀，所以我要咬咬牙、跺跺腳，它是有開機(jī)費(fèi)的，對吧？一開機(jī)就是多少萬元的水平，這是人類能做的最強(qiáng)的一個(gè)輻射的方法，我們?nèi)フ账?，而且我們?dāng)時(shí)有點(diǎn)不自信。

　　我們把低濃度、高濃度全部試了一遍，拿回來以后沒有什么影響，照樣可以復(fù)蘇，我們證明了它能耐受至少超過5000Gy左右的伽馬輻射，這是什么概念呢？

　　我們?nèi)酥荒苣褪?0Gy+就會死亡，一般的植物可以耐受100~200Gy，我們的苔蘚在500Gy照射以后，居然長得更大了，長得更好了，只有到1000~2000Gy，才會有一點(diǎn)受傷害的感覺，但是傷害是傷害，恢復(fù)到正常的環(huán)境以后，依然在一周內(nèi)就可以再生新的植株。

　　我們就來梳理一下我們拿到的東西和證據(jù)。能夠干而不死，這是從我的恩師那里傳承來的，那么凍而不死，輻射而不死，是我們?nèi)バ峦卣沟摹?/p>

　　這么多“不死”，它是金剛不壞之身，有什么秘訣？這才是我最想知道的一個(gè)問題。

　　在我們研究所的生態(tài)組和分子組，兩大組接近三十年的研究的歷程中，我們初步理清了它是一個(gè)非常聰明的小家伙，有非常多級的智慧和策略。

　　首先從它的外部形態(tài)來看，它有一個(gè)魔法衣，它的葉片是像碗一樣的疊起來的，這樣起到了一個(gè)很好防止水分散失的功效；它上面有很多白色的，它的芒尖系統(tǒng)，就像一個(gè)小白帽，戴在每一個(gè)葉片的頂端，它起到什么作用呢？白色反光，所以能夠抗住輻射，能夠給它在沙漠里面降溫，更重要的功能，我們發(fā)現(xiàn)芒尖跟它的干而不死有非常大的特性，我們跟合作者一起證明了芒尖是它大自然進(jìn)化出來的極其精巧的結(jié)構(gòu)。

　　大家看到這個(gè)白色空腔狀的物質(zhì)，其實(shí)你仔細(xì)去鑒定下看，它排列得非常精巧，從納米到微米，到毫米級別的，最大量去捕獲水的一個(gè)天然系統(tǒng)，它能干什么？沙漠沒有水，但是早晚有霧水、有凝結(jié)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，滴到葉片里被苔蘚吸收。所以它是用看不見的水來保命；

　　那么再往細(xì)胞層面去看，它一定有一個(gè)非常厲害的東西。一個(gè)東西被完全干燥皺縮，在給水的時(shí)候，它會“嘭”，細(xì)胞壁和細(xì)胞膜會破裂和崩解，一旦破裂和崩解，這個(gè)生命就會走向死亡，那么齒肋赤蘚不是這樣的，它最大的一個(gè)細(xì)胞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，就是它能夠保持在各種極端逆境下的，細(xì)胞膜壁系統(tǒng)的完整性；

　　除了最顯而易見的膜壁系統(tǒng)的完整性、高彈性以外，它還有一系列的方法跟逆境去斗爭。比如說它有一些非常典型的抗凍劑、糖類，在里面非常多，你雖然給它放到-80℃，抗凍劑在里面起到了一個(gè)非常好的保護(hù)效果，讓它少形成冰晶，或者避免在胞內(nèi)形成冰晶；

　　還有一些抗?jié)B透劑，在脫水的時(shí)候可以維持它的滲透平衡；

　　另外任何逆境都會造成損傷，它不是不造成損傷，只是它有一些非常強(qiáng)大的“清潔大軍”，能夠非常高效地把這些損傷清除掉；

　　最后當(dāng)逆境實(shí)在是到了最極限的時(shí)候，它學(xué)會了“躺平”，進(jìn)入了省電模式，把唯一剩下來的微量的能量，供在最主要的代謝和生命保存上來，它告訴我們，要學(xué)會忍耐和等待，等待好的時(shí)機(jī)，我再讓你燦爛，再讓你秒變生命的震撼力。

　　任何東西都要提到基因?qū)用娴挠绊懀覀儗λ幕蚪M也進(jìn)行了十幾年的研究，發(fā)現(xiàn)它有非常完美的一套基因的生存密碼，這些生存密碼，特殊的基因，就像一個(gè)非常好的指南，去告訴它，一般的逆境來了，我怎么抗，嚴(yán)重的來了，哪些基因出發(fā)去保護(hù)，去起作用。

　　甚至它還進(jìn)化出了非常獨(dú)特的策略，尤其在干復(fù)水，這么快的過程中，很多東西是來不及的，它學(xué)會了什么？學(xué)會了提前存儲，我把水存到那兒，等你沒水的時(shí)候，我趕緊發(fā)揮功能，等你水來的時(shí)候，我也趕緊把它釋放出來，所以它是一個(gè)從基因上說明非常聰明的一套策略。

　　即使這么強(qiáng)的苔蘚植物，它還特別善于心計(jì)，什么意思？

　　它很會借力。它原生境是一塊結(jié)皮，就是由齒肋赤蘚組成的主要成分，但是里面其實(shí)還有一些微生物，尤其是根系微生物，還有一些看不見的藻類等等，這些抗逆性也非常強(qiáng)，它們在一起共生，形成一個(gè)復(fù)合體，然后來抵抗環(huán)境的極端逆境。

　　此外植物本身還有很多內(nèi)生菌共生，我們也嘗試把這些內(nèi)生菌分離出來，去掉內(nèi)生菌以后，它的各種極限的抗性是會有一絲絲減弱的，我們把這些內(nèi)生菌拿出來，去試極端逆境，也非常的強(qiáng)悍，所以它是一個(gè)非常會合作，它學(xué)會了強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，美美與共。

　　那么這樣一個(gè)聰明的小小苔蘚植物，它對我們的啟發(fā)是什么，它能不能為我們?nèi)祟愃?？就像它在原生境，古爾班通古特沙漠一樣，它能不能去把撒哈拉、塔克拉瑪干給綠化了呢？

　　我要說這是一個(gè)可以被實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，尤其現(xiàn)在全球氣候變化的背景下，這種荒漠系統(tǒng)、沙漠系統(tǒng)的生態(tài)修復(fù)和保護(hù)顯得尤為重要和迫切，包括我們研究所團(tuán)隊(duì)和國內(nèi)很多團(tuán)隊(duì)也都在做這樣的一個(gè)嘗試，已經(jīng)成功的構(gòu)建了一系列的技術(shù)體系，包括苔蘚怎么去撒，怎么去播，在室內(nèi)把它養(yǎng)成一大塊像草坪一樣，直接往沙漠里面去擺和鋪等等這樣一體系，同時(shí)也包含了它的合作者，跟哪種藻去施加配置最好、最優(yōu)，跟哪種細(xì)菌去混合最優(yōu)等等，做成了一系列的一個(gè)技術(shù)體系，也初步在一些沙漠進(jìn)行了一個(gè)釋放，效果現(xiàn)在還是比較好的，但是還是在實(shí)驗(yàn)階段。

　　所以我們初步證明了一種可能性，就是利用大氣水讓苔蘚來為沙漠披綠毯是可行的，而且未來應(yīng)該是大有可為的。

　　第二個(gè)還是講到基因的問題，它這么強(qiáng)，肯定有一些干而不死，凍而不死的基因，如果我們能找到這些基因密碼，把這些基因密碼給到那些不具有這種抗性的植物或作物里面，能不能創(chuàng)造出超級植物和超級作物，來應(yīng)對環(huán)境變化和糧食安全呢？

　　這個(gè)是我們做過的工作，也做了十幾年。比如說我們把一個(gè)干而不死的關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)到了模式植物擬南芥里面，我們發(fā)現(xiàn)確實(shí)可以讓擬南芥起死復(fù)生，如果不加這個(gè)基因進(jìn)去，擬南芥80%會死亡，但是加進(jìn)去以后，擬南芥75%會存活，大家想一想差距，所以還是非常有潛力的。

　　當(dāng)拿到這個(gè)結(jié)果以后，我們就非常興奮地趕緊去做作物的嘗試。我們在實(shí)驗(yàn)室拿到結(jié)果以后，又非常驚喜地趕緊去了大田，可控的嚴(yán)格條件下，去評估轉(zhuǎn)入這個(gè)基因與否對棉花的影響。

　　我們驚喜發(fā)現(xiàn)了，確實(shí)在正常情況下，能讓棉花長得快，長得大，高產(chǎn)，當(dāng)逆境節(jié)水下，就是少澆水的情況下，它依然有很高的產(chǎn)量，比沒有轉(zhuǎn)化提高了18%~30%之間，這個(gè)差異是因?yàn)槲覀冊谀媳苯⒉煌貕K、不同年份導(dǎo)致的一個(gè)自然的變異數(shù)據(jù)。

　　更讓人驚喜的是，這個(gè)材料在黃萎病的病田里，不僅干而不死，還實(shí)現(xiàn)了極強(qiáng)的抗黃萎病的抗性。棉花黃萎病也叫棉花的癌癥，它沒有什么藥可治，自然界里也不太有這種比較強(qiáng)的自然變異的野生型，所以轉(zhuǎn)入一個(gè)基因，是一個(gè)比較好的有前景的策略。那么我們的基因就證明了，它可以讓棉花的產(chǎn)量提高30~40%，是什么概念？黃萎病來的時(shí)候棉花基本上絕收，那么轉(zhuǎn)了我們的基因，至少能收30%的一個(gè)棉花的產(chǎn)量。

　　另外我們也在想大膽嘗試，它在地球上干的就是去拓荒，去占領(lǐng)荒漠，那火星是什么？火星不是叫荒漠星球，就叫沙漠星球?qū)Π桑?/p>

　　它能不能干這個(gè)事情，上火星去，把火星也綠化一下？

　　我們是正兒八經(jīng)做了對比和實(shí)驗(yàn)。我們古爾班通古特跟火星，是不是非常的相似，包括火星車軋過的痕跡，跟我們采樣車軋過的痕跡都如出一轍，但是唯一的不同是沙漠里有了我們齒肋赤蘚，它就不那么荒涼，我們來比較一下，做一點(diǎn)科學(xué)的東西，我們把火星跟地球的環(huán)境，尤其是大氣環(huán)境進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)它們主要是一個(gè)沒有氧氣，高二氧化碳的區(qū)別，還有就是極端低溫，平均溫度大概在零下60℃，還有它有一些輻射等等，這樣的一些復(fù)合因素，所以我們就迫不及待地想去測試，在我們中科院的空間中心，我們?nèi)ゴ罱诉@樣一個(gè)火星模擬艙，完全符合它的溫度、輻照、沒有水等等一系列的條件，我們把它扔進(jìn)去。1天、3天、7天、30天，當(dāng)時(shí)很膽戰(zhàn)心驚，當(dāng)30天拿出來再恢復(fù)的時(shí)候，看到它被燒黑的感覺，依然能長出新的芽齒的時(shí)候，我們確信它是可行的。

　　這個(gè)工作7月份在國際期刊《創(chuàng)新》上以封面進(jìn)行了發(fā)表，我們認(rèn)為這樣一個(gè)干而不死，凍而不死，照而不死，火星模擬條件而不死的一個(gè)苔蘚植物，它是一個(gè)外太空拓植，尤其是火星拓植的理想先鋒，同時(shí)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(yīng)該是一個(gè)非常好的拓荒者。

　　我們這個(gè)工作一經(jīng)發(fā)表，在國內(nèi)外也引起了巨大的一個(gè)反應(yīng)和廣泛的報(bào)道。

　　那么除了地球、火星的生態(tài)安全和糧食灣的安全，它還能干什么？

　　我們科學(xué)家做了很多嘗試，它其實(shí)可以給我們提供很多思路借鑒。剛剛講到它的芒尖可以從干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(gè)原理，科學(xué)家們一直在致力于干旱區(qū)的水分收集系統(tǒng)，一點(diǎn)點(diǎn)的收集之后，成一瓶一瓶、一桶一桶，不僅對于我們?nèi)祟愑玫模绕鋵τ谝恍┍容^極端環(huán)境，尤其是火星，如果未來大氣中有一定的水氣，我們就給它“拽”下來，是不是？

　　另外它的細(xì)胞壁膜系統(tǒng)，這么高的彈性，不崩解，我們可不可以用它的智慧，去看看它的壁膜上是什么成分，能不能為我們的仿生材料提供借鑒和新的思路，一些高彈輕質(zhì)，甚至是我們的宇航服，它需要抗低溫，需要極端抗輻射，也會提供很多借鑒。

　　我們這樣一個(gè)小小的超級齒肋赤蘚世界，其實(shí)是地球，是大自然億萬年進(jìn)化出來的智慧結(jié)晶，但是在大千世界里，除了它，還有很多小小的精靈，都是生命的奇跡。大膽認(rèn)識它嗎？它叫水熊蟲，是一種緩步動物門的小動物?？粗芸蓯酆艽?，其實(shí)它只有我們小小苔蘚的1%那么大，但是它是公認(rèn)的地表最強(qiáng)動物，它能夠?qū)崿F(xiàn)干而不死，凍而不死，輻射而不死，而且它是一個(gè)上過太空的，經(jīng)過測試的小小動物。給大家劇透一下，其實(shí)這個(gè)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。

　　除了水生蟲以外，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(qiáng)的抗逆能力，抗輻射、抗酸堿、抗熱等等，除此之外，還有無處不見的地衣，還有很多藻類，也是非常強(qiáng)悍的。

　　提到苔蘚，除了齒肋赤蘚，還有它的近親們、遠(yuǎn)親們，比如說銀葉真蘚、山墻蘚、對齒蘚等等，也非常的抗逆。

　　今天我想告訴大家，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，這些生命的奇跡，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的邊界，對生命極限的認(rèn)知，而且更重要的是，它對我們認(rèn)識地球本身，認(rèn)識生命本身都有非常重要的借鑒意義，同時(shí)也為我們?nèi)ラ_拓更廣闊的宇宙世界，打開了另一個(gè)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(jiān)韌和智慧，能引領(lǐng)人類更好的未來。

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