李小双：从沙漠到火星的星际拓荒者，植物极端抗逆生存智慧启示录

从失水成灰到滴水秒活，从抵御零下196℃极寒，到耐受零上120℃高温，是什么秘笈使它拥有了如此强大的金刚不坏之身？走进“地球最强植物”——齿肋赤藓的世界，探索植物的极限生存之道。

李小双

中国科学院新疆生态与地理研究所  研究员

我来自新疆，新疆有大面积的沙漠，大家对沙漠的第一印象是什么呢？

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我想您跟我以前一样，是干燥、炎热、荒凉。

大家对苔藓有没有留意过呢？生长在潮湿的小溪边、树林间、砖缝里。

沙漠没有水，苔藓爱潮湿，这两个不太相干的东西,去交集会碰撞出什么呢？

对，它会碰撞出我们的沙漠苔藓，这个地球上可能最强悍的苔藓植物~齿肋赤藓。

这是我们新疆古尔班通古特沙漠，这个沙漠为什么不像其他沙漠那么荒凉呢？一个主要的小小英雄，就是我们讲到的齿肋赤藓。

大家看沙漠腹地里面黑色的部分，其实就是我们齿肋赤藓组成的一个群体。因为有它作为先锋植物，先固定在裸沙的表面，起到了保水固沙，调节碳氮循环等重要的生态功能，其他的植物，包括梭梭等都会慢慢地来融入这个家园，它们一起协作，才让古尔班通古特沙漠不像塔克拉玛干一样荒凉。

其实它不足一厘米，不足一厘米什么概念？还没有我们一个指甲盖的大小，但是它非常神奇，它能实现干而不死。

在炎热干燥的沙漠里面，它的最常见的状态，干到什么程度？

你拿手去捏它，灰飞烟灭，但是你给它水，它立马就给你灿烂，变绿复活，并且进行光合作用。

它的耐干性是我的导师告诉我的，我2008年到研究所老师说有这样一种神奇的植物，我们第一件干的事情就是去沙漠见证它。

从完全脱水，给它水，秒级1、2、3变绿打开，旺盛地生长，如果您在沙漠里面，你会听到它吸水的“砰、砰、砰”的声音。

每一个跟我走到沙漠的人无不都震惊在此，被这个小小苔藓的惊人生命力和它的韧性和蓬勃的生机所惊叹。

我想用细节、用科学去看看它到底能脱多少的水？它到底需要多久来复活？所以我们的结论是，它能完全脱掉自身的水没有问题，而且脱水的过程长达二十年都没有问题。

二十年之久，你给它水，它也会实现秒级的复苏，它在给水以后三秒内能获得水50%以上，三十秒内能恢复光合速率的70%。

讲到它干而不死，还是我的老师张道远老师和张元明老师告诉我的，我发现了什么呢？

这得益于我在冬天的一次去到了古尔班通古特沙漠。我看到了大雪覆盖的古尔班通古特沙漠，大面积的苔藓在冰晶下面依然蓬勃生长，绿意盎然。

我也爬到了海拔5000米以上的帕米尔高原，也看到了它傲然挺立的身姿。所以我当时是又惊又喜，有一个声音告诉我，它远不止干而不死，它肯定在极端的抗低温、抗辐射方面也有非常惊人的表现。

所以我们和我的团队，这十来年做的工作是在实验室评估一下，它到底有多抗？

它偏爱的是这个世界上最极端逆境的地方，因此它的乐园，它的聚集地就决定了它天生是一个极端多抗的多面手。

那好了,我们要在实验室告诉别人它到底有多抗。

我们是从-20℃做起的，首先打开冰箱、扔到冰箱、关上冰箱，再拿出来。对，是这样一个过程，很简单。

但是我的学生头疼了一年多，他说：“老师，它冻不死？！我很头疼！”

然后我很惊喜，我说，“这不是个很好的现象嘛！这不是我们正想看到的惊喜嘛！”所以我说，做更长时间尺度的，可以做到-80℃冰箱去。

扔进去放了五年、七年、八年，拿出来放到正常的环境，依然可以活，一周之内就可以再生新的植株出来。

然后我们上了一个更狠的，我们咬着牙，试一下液氮行不行？对，-196℃低温！我们扔到液氮里面去做了六个月，拿出来也在几天之内又会长出一个新的芽点，长出一个新的植株出来。

我们证明它起码在人为可做的超低温条件下，能实现冻而不死。

怎么证明它耐辐射呢？其实也简单，太阳光里面的很多UV（紫外线），对咱们的皮肤造成的辐射，造成基因突变，皮肤癌都是这种UV来造成的，所以我们在实验室其实就是一根UV灯管，我们去照它。

结果也是新来一个硕士研究生，他非常的沮丧，因为他不清楚我们这个材料的特色，他不知道我要做抗辐射的功能。

他说，“老师，这个东西咋不死呢？是UV灯管出了问题，还是什么问题？”

我说，“它不死是正常的，你继续追踪一下，一小时不行，两小时，两小时不行 照它一天，一周左右。”

最后他告诉我，照一二个小时，长得更猛了，照几天好像也没有什么变化。“这好像不是个头了，老师，我觉得这不是一个好的方法。”

我们新疆有个理化所，因为它有一个很厉害的钴源伽马辐射仪器，这是人类现在能做的最强辐射的方法之一，我们去照它。

我们证明了它能耐受至少超过5000Gy的伽马辐射，这是什么概念呢？我们人 只能耐受10+Gy就会死亡。

我们的苔藓在500Gy照射以后，居然长得更大了,长得更好了。只有到1000~2000Gy，它才会有一点被受伤害的感觉，给它恢复到正常的环境以后，依然在一周内就可以再生新的植株。

所以我们就来梳理一下我们拿到的东西和证据。

能够干而不死，这是从我的恩师那儿传承来的，那么冻而不死、辐射而不死，是我们去新拓展的。

这么多“不死”，它是金刚不坏之身吗，它有什么秘诀呢？这才是我最想知道的一个问题。

在我们研究所接近三十年的研究历程中，我们初步厘清了它是一个非常聪明的小家伙，它有非常多级的智慧和策略。

首先从它的外部形态来看，它有一个“魔法衣”，大家看到它的叶片是像瓦一样的叠起来的，这样起到了一个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，就叫芒尖系统。

这个白色的芒尖就像一个“小白帽”戴在每一个叶片的顶端，它起到什么作用呢？白色反光，所以能够抗一定的辐射，能够给它降温，更重要的功能，我们跟合作者一起证明了芒尖是大自然进化出来的，极其精巧的结构。

大家看到这个白色的空腔状的物质，它排列着非常精巧的从纳米到微米，到毫米级别的，最大量去捕获水的一个天然的人工系统。它能干什么呢？沙漠没有水，但是早晚有露水，有凝结水，它能捕获大气中看不见的水分子，把这些水分子“拽”下来，通过芒尖最终形成水滴，滴到叶片里被苔藓吸收；

再往细胞层面去看，它最大的一个细胞结构基础，就是它能够保持在各种极端逆境下的一个细胞膜壁系统的完整性；

除了最显而易见的膜壁系统的完整性这种高弹性以外呢，比如说它有一些非常典型的抗冻剂，糖类在里面非常多，你虽然给它放到-80℃，这些抗冻剂在里面起到了一个非常好的保护它的效果，让它少形成冰晶或者避免在胞内形成冰晶；

还有一些抗渗透剂，在脱水的时候就可以维持它的一个渗透平衡；

另外任何逆境都会造成损伤，它不是不造成损伤，只是它有一支非常强大的清洁大军，能够很快的，非常高效的把这些损伤清除掉；

那么最后当逆境实在是到了最极限的时候，它学会了躺平，它进入了“省电模式”，怎么躺平？就像我们手机的省电模式，把唯一剩下来的比较微量的能量供在最主要的代谢和生命保存上来，它告诉我们要学会忍耐和等待，等待好的时机，我再让你灿烂，再让你秒变生命的震撼力。

我们对它的基因，包括它的基因组等也进行了十几年的研究，发现它有非常完美的一套基因的生存密码。

一般的逆境来了我怎么抗，严重点(的逆境)来了，我哪些基因去出发、去保护、去起作用，甚至它还进化出了非常独特的策略，尤其在干、复水这么快的过程中，很多东西是来不及的，它学会了干什么？它学会了提前存储。

即使这么强的一个苔藓植物，它还特别善于心计，它很会借力。

刚刚讲到，大家看它原生境是一块结皮，就是由苔藓，齿肋赤藓组成的主要成分，但是里面其实还有一些微生物，尤其是根际微生物，还有一些看不清楚的藻类等等，这些抗逆性也非常的强，它们在一起共生，形成一个复合体，然后来抵抗环境的极端逆境。所以它是一个非常“会”会的合作者，它学会了强强联合，美美与共。

这样一个聪明的小小苔藓植物，它对我们的启发是什么？它能不能去把我们的撒哈拉、塔克拉玛干给绿化了呢？

那么包括我们研究所在内的团队，和国内的很多团队也都在做这样的一个尝试，已经成功地构建了一系列的技术体系，包括苔藓怎么去撒、跟哪种藻去施加配置最好最优、跟哪种细菌去混合最优等等，在一些沙漠进行了一个释放，效果现在还是比较好的。

让苔藓来给沙漠披绿毯是可行的，而且未来应该是大有可为的。

它这么强，它肯定有一些干而不死、冻而不死的基因，如果我们把这些基因密码给到那些不曾具有这么抗性的植物或作物里面，能不能创造出超级植物和我们的超级作物，来应对环境变化和粮食安全呢？

这个是我们做过的工作,我们也做了十几年。

比如说我们把一个DREB基因，苔藓有的这个基因，干而不死的一个关键基因，转到了模式植物拟南芥里面，我们发现确实可以让拟南芥起死复生。如果不加这个基因进去，拟南芥80%会死亡，不能复苏。

我们在实验室拿到结果以后，又非常惊喜地赶紧去了大田可控的严格条件下，去评估我们转入这个基因，和没有转入基因对棉花的影响。

我们惊喜地发现，确实它在正常情况下能让棉花长得快，长得大，高产，当逆境 节水，就是少浇水的情况下，它依然有很高的产量，它比我们没有转化的提高了18%~30%之间；

更让人惊喜的是，这个材料在大田，在黄萎病的病田里，不仅干而不死，还实现了极强的一个抗黄萎病的抗性。黄萎病来的时候棉花基本上绝收，因为它会是一个蛀干的病害，让它不能吸收水分和养分，整个是绝收和没有产量的。那么转了我们的基因，至少能收30%的棉花产量。

另外一个工作，我们也在想大胆地尝试。

火星不是叫“荒漠星球”吗？所以它能不能干这个事情呢，上火星去把火星也绿化一下呢？

我们是正儿八经做了对比和实验的。这个图左边的是我们的古尔班通古特沙漠的照片，右边是我们在网上下载的火星上的照片，是不是非常的相似，非常的眼熟？包括火星车轧过的痕迹，跟我们卡车轧过的痕迹都如出一辙。

我们把火星跟地球的环境，尤其是大气环境进行了比较，发现它们主要是一个什么？是一个没有氧气、高二氧化碳的区别。还有就是极端低温，火星上的温度非常低，平均温度也大概在零下60℃，还有它有一些辐射等等这样的一些复合因素。

所以我们就迫不及待地想去测试，在中科院的空间中心我们去搭建了这样一个火星模拟舱，我们把它扔进去，一天、三天、七天、三十天，当时很胆战心惊。当时吧，三十天拿出来再恢复的时候，看到它被烧黑的感觉，依然能长出新的芽齿后，我们确信它是可行的。

所以这个工作也是最近7月份在我们的国际期刊《创新》上，以封面进行了发表。我们认为这样一个干而不死、冻而不死、照而不死、火星模拟条件而不死的一个苔藓植物，它是一个外太空拓植，尤其是火星拓植的理想先锋，同时它除了能够拓植，它还能释放氧气，还能固定二氧化碳，它还能去改良土壤，应该是一个非常好的拓荒者。

我们这个工作一经发表，在国内外也引起了巨大的一个反应和广泛的报道。

它还能干什么呢？我们的科学家做了很多尝试，它其实可以给我们提供很多思路借鉴。

刚刚讲到它的芒尖可以从干旱的水分中去捕获大气水，形成水滴被植物利用，所以利用这个原理，科学家们一直在致力于干旱区的水分收集系统，一点点的收集，最后成一瓶一瓶、一桶一桶，这样的话不仅对于我们自己人类用，尤其对一些比较极端环境的，尤其是火星，如果未来大气中有一定水气的话，我们就可以把它“拽”下来，是不是？

另外它的细胞壁膜系统，这么高的弹性，不崩解，我们可不可以用它的智慧，去看看它的壁膜上是什么成分呀，能不能为我们的仿生材料提供借鉴和新的思路，一些高弹轻质，甚至是我们的宇航服（它需要抗低温，需要极端抗辐射）的创制也会提供很多借鉴。

我们这样一个小小的超级齿肋赤藓，其实是地球，是大自然亿万年进化出来的智慧结晶，但是在大千世界，除了它，还有很多小小的精灵都是生命的奇迹！

大家认识它吗？它叫水熊虫，它是公认的地表最强动物，它能够实现干而不死、冻而不死、辐射而不死，而且它是一个上过太空的，经过测试的小小动物，给大家剧透一下，其实这个小小的水熊虫，它的最大乐园是在苔藓的叶片上面，只是它非常小，一般人不用显微镜是看不到它的，这是不是苔藓借力的另一种方式。

除了水熊虫以外，我们的很多火山、冰川、盐湖等等，有非常多的嗜极微生物,它们具有非常强的一个抗逆能力，抗辐射、抗酸碱、抗热等等。

除此之外还有我们无处不见的地衣，还有很多藻类也是非常强悍的。

提到苔藓，除了齿肋赤藓，其实它的近亲们、远亲们，比如说银叶真藓、山墙藓、对齿藓等等，也非常的抗逆。

所以说今天我想告诉大家的，或者说我想让大家记起来的是什么呢？

就是不论从我们微微小的微生物，到小小的水熊虫，再到我们小苔藓，这些生命的奇迹是大自然，是地球给我们的惊喜和礼物，它不仅拓展了我们对生命边界，对生命极限的认知，而且更重要的是，它对我们认识地球本身，认识生命本身都有非常重要的借鉴意义，同时它也为我们去开拓更为广阔的宇宙世界，打开了另一个智慧大门。

感谢这些小小的生命勇士能让我们看见，希望它们的坚韧和智慧，能引领人类更好的未来，谢谢大家。