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Aug. 31 2021

冰河上活生生的矛盾──冰蟲

  • 在華盛頓雷尼爾峰南側,天堂冰河(Paradise Glacier)上的冰蟲。這些在冰點溫度繁衍茁壯的動物成了科學上的矛盾。 PHOTOGRAPH BY SCOTT HOTALING

    在華盛頓雷尼爾峰南側,天堂冰河(Paradise Glacier)上的冰蟲。這些在冰點溫度繁衍茁壯的動物成了科學上的矛盾。 PHOTOGRAPH BY SCOTT HOTALING

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冰河冰蟲不僅能在冰凍的溫度下繁衍,還身懷神秘特徵,更是相當緊急的研究課題──因為牠們的棲息地正在消失。

乍看之下,冰河似乎是處毫無生機的不毛地帶,不過,事情總沒有表面看起來那麼簡單:冰河是許多微小生物的家園,牠們共同構成了一個繁榮的寒冷生態系。

在這樣的生態系中,於北美洲西部最引人注目的就是「冰蟲」(ice worm)。細如牙線的避日冰蟲(Mesenchytraeus solifugus)約有1.3公分長,遍布於太平洋西北部、不列顛哥倫比亞,以及阿拉斯加的冰河上。在夏季的午後與夜晚,這些黑色小蟲會成群出沒,大啖藻類、微生物,以及其他冰河表面的有機碎屑;當破曉來臨,冰蟲們才紛紛鑽回冰下;而在冬季,牠們則消失在冰層深處。

這些蚯蚓的遠親生活在伴隨著冰與雪的冰冷水層中,並能在攝氏0度以下成長。這對大多數生物而言根本是天方夜譚,尤其對環節動物這樣沒有任何隔熱層的變溫動物來說更是不可能,那麼冰蟲是怎麼做到的呢?科學家目前在冰蟲身上已經發現好些訣竅,並指出,瞭解這些怪傢伙對人們而言非常重要──也相當急迫。

羅格斯大學研究冰蟲長達25年的研究員丹尼爾.謝恩(Daniel Shain)表示,愈是瞭解這些動物如何忍受極端環境,對我們理解地球內外生命的極限就愈有幫助。

但冰河正在消失,冰蟲也隨之毅然。賓夕法尼亞州哈弗福德學院的生物學家雪莉.朗格(Shirley Lang)說明,如果冰河以目前的速度繼續融化下去:「我有點覺得牠們總有一天會消失,我們希望在冰蟲消失之前,能盡可能認識牠們。」

冰蟲之謎

生物學定律限制生物在溫度下降的時候,除身體的反應會趨緩外,活力也會下滑。在這種情況下,恆溫動物必須耗費能量,來維持相對恆定的體溫;變溫動物則變得遲緩,甚至在太冷的時候會進入休眠狀態──但冰蟲可不來這一套。

謝恩說:「愈冷牠們愈有活力,這太矛盾了。」

謝恩與門下博士朗格近年來所發表的一系列論文研究,有助於解釋箇中原由。這一切都與一個特殊分子有關──三磷酸腺苷(ATP)。ATP就像是細胞中的能量貨幣,推動著體內大部分的反應,而ATP由一種複雜的酵素─ATP合成酶─製造,這種酵素在所有已知的生物體內幾乎都是相同的;此外,ATP合成酶的工作效率接近100%,這等效率在人造物上可是聞所未聞,讓生化學家敬畏不已。謝恩說:「它是臺非凡的機器。」

不過,冰蟲稍稍改進了一下牠們的機器:在製造ATP合成酶的DNA上出現了額外的片段。這項變更似乎有助於加入ATP合成酶製造ATP,為此謝恩表示:「就像臺渦輪增壓器一樣呢。」

謝恩說,這種演化很難解釋,不過冰蟲可能偷了一大團科學家曾在高海拔真菌身上見過的遺傳物質。若事實真是如此的話,這種「遺傳竊盜」的現象就顯得格外異常,因為一般而言,偷來的基因並不會併入負責製造ATP的粒線體內。

除了基因增加,冰蟲還有一個變造過的細胞「控溫器」,讓細胞在寒冷的環境中也能生產ATP。綜合這兩項變異來看,意味著冰蟲細胞中的ATP濃度比大多數生物要來的高,這有助於解釋牠們如何在酷寒中還保持活力。

朗格計畫開拓其他理論來解釋冰蟲豐沛的活力。在冰蟲身上充滿了黑色素(melanin),而黑色素在人類身上,可以保護皮膚免於紫外線的傷害;但在冰蟲身上,黑色素可是遍佈全身,從大腦、腸道乃至於肌肉都有。有些研究認為,黑色素在某些情況下,或許能夠攔截太陽輻射中的能量,而朗格懷疑這可能就發生在冰蟲身上,並希望來測試看看這個想法。

雖說人們曾在西藏發現過另一個近似物種,但基本上冰蟲除了生活在沿海的冰河上之外,世界其他地方都找不到牠們身影;人們對牠也幾乎一無所知,固然冰蟲可已在攝氏零度的環境中生存,但如果是更低於這個「甜蜜點」的酷寒,牠們就無法忍受了。

吃與被吃

除了令人瞠目結舌的能量關係外,冰蟲也是人們知之甚少的生態系一員。華盛頓州立大學的生物學家史考特.霍塔林(Scott Hotaling)解釋道,冰蟲與輪蟲、水熊蟲、藻類、真菌,以及其他微生物共存。牠們甚至還是鳥類的食物呢。

霍塔林與同事已經觀察到至少五種鳥類會吃冰蟲,並表示在雷尼爾峰 (Mount Rainier)這樣的地方,這種無脊椎動物是項相當重要的食物來源,諸如嶺雀(rosy finch)就會大量捕食牠們,並將冰蟲餵給雛鳥。

鳥類或許也能解釋這些小動物是怎麼從一條冰河傳播到另一座冰河的。謝恩說,不同地點的冰蟲在遺傳結構上有所差異,阿拉斯加的冰蟲可能與太平洋西北部的冰蟲是不同物種。

霍塔林的研究發現,活的冰蟲除了可以藉由黏附在鳥類羽毛或是腳爪上來移動,也或許有些能從鳥類腸道中存活下來。例如,在溫哥華島 (Vancouver Island)上的一個冰蟲族群,就與南阿拉斯加的一個族群親緣關係相近,表明在最近可能曾有一隻或數隻冰蟲被鳥帶了過去。

不過能解開冰蟲之謎的時間不多了。有些冰蟲所在的冰河已經消失,比如在華盛頓州北喀斯喀特(North Cascades)的萊爾冰河(Lyall Glacier )和路易斯冰河(Lewis Glacier);其他冰河也正逐漸萎縮,好比位於雷尼爾峰南側同為冰蟲家園的尼斯夸利冰河(Nisqually Glacier),在2003至2015年間,平均每十天就後退90公分。

演化遺傳學家喬安娜.凱利(Joanna Kelley)與霍塔林正致力於定序冰蟲的基因體。這項任務相當困難,部分原因在於冰蟲身上充滿了黑色素,而它們會附著在DNA上干擾基因體定序技術運作。

兩人希望能在為時已晚之前解開冰蟲的其他祕密,霍塔林說:「我覺得我得加緊腳步研究這些動物了。」

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