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

专题：2024年CC讲坛

　　由北京君和创新公益基金会、中国科学院大学校友会联合主办，主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第61期演讲2024年8月24日在中国科学院大学（北京玉泉路校区）礼堂举行。来自中国科学院新疆生态与地理研究所 博士生导师李小双研究员出席，并以《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》为题发表演讲。

　　以下为演讲实录：

　　我来自中国科学院新疆生态与地理研究所，今天给大家介绍一个神奇的沙漠苔藓植物。

　　新疆有大面积的沙漠，大家对沙漠的第一印象是什么呢？是干燥、炎热、荒凉，小小的苔藓植物是不是多数与水为伴，生长在潮湿的小溪边、树林间、树皮上潮湿的生境。

　　
沙漠没有水，苔藓爱潮湿，这两个不太相干的东西交集，会碰撞出什么呢？对，会碰撞出我们地球上可能最强悍的苔藓植物~齿肋赤藓。

　　这是新疆的古尔班通古特沙漠，它也是我们中国的第二大沙漠。沙漠为什么不像其他沙漠那么荒凉？

　　大家看到沙漠腹地里面黑色的部分，其实就是齿肋赤藓组成的一个群体，那么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，都会慢慢来占领家园。它们一起协作，才让我们的古尔班通古特沙漠不像塔克拉玛干一样荒凉。

　　我们近距离来看一下苔藓植物，这是它组成的黑色的群体，那么我们把它抠一块出来看，其实它就像一个小卫士一样在保卫着沙漠，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。

　　大家看到了这个黑色状态是在我们炎热干燥的沙漠里面，它的最常见的状态。干到什么程度？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，而我要自己去沙漠看一看，所以直到现在，我的学生每次从研究生院上完课回来，第一件干的事情就是去沙漠见证它。

　　大家是不是已经感觉到了震撼力，从完全脱水，给它水，秒级1、2、3，变绿打开，旺盛生长。如果你在沙漠里面，你会听到它吸水的“嘭、嘭、嘭”的声音。所以每一个我带他们认识苔藓的人，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。

　　我们就把它带回了实验室，我想做什么呢？我想用细节科学地去看看，它到底能脱多少的水，它到底需要多久来复活？

　　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，给水以后三秒内能获得水50%以上，30秒内能恢复它光合速率的70%，大家是不是马上想到了“三体人”？对，我觉得它就是一个“三体植物”。

　　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，那我发现了什么呢？这得益于我在冬天的一次去到了古尔班通古特沙漠。

　　夏季的是黑乎乎的休眠状态，脱水的状态。那么冬季它却在蓬勃生长。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。那么借着新疆三考的机会，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”。

　　它的抗性，如果从大的地理格局上其实也能找到线索。这个苔藓除了最大的乐园在我们中国新疆的古尔班通古特沙漠，它在美国的莫哈维沙漠，在我们的帕米尔高原、青藏高原，在两极都有分布，尤其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。

　　好了，我们要在实验室告诉别人，它到底有“多抗”呢？

　　其实这个实验很简单，大家都可以做，拿回去把菜扔到冰箱，对吧？不过大家是放到4℃冰箱，我们是从-20℃做起的。

　　三个步骤，很简单，首先打开冰箱、扔到冰箱，关上冰箱这样一个过程，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吗？这不是我们最想看到的惊喜嘛！”

　　所以我说，做更长时间尺度的。我们把它放到了最低温的一个冰箱里，-80℃，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？你们知道液氮是什么概念吗？-196℃的低温！还没有什么东西可以整个放到液氮里面去保存，这也是咱们人类想永生的一个策略，去冻藏后再复苏，但是还远远没有实现，我们的可以，我们扔到液氮里面去做了一个月、六个月，拿出来，也在几天之内，又会长出新的芽点，长出一个新的植株出来，所以我们是被它惊叹到的，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。

　　刚才讲到耐辐射，对吧？帕米尔高原5000多米海拔，长得非常好，怎么证明它耐辐射呢？

　　其实也简单对吧？太阳光里面很多UV（紫外线）对咱们皮肤造成的辐射，造成基因突变，皮肤癌都是UV来造成的，所以我们在实验室很容易得到一个超净工作台，里面其实就是一根UV灯管，我们去照它。新来的一个硕士研究生，他非常的沮丧，因为他不清楚我们这个材料的特色，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？”

　　我说：“它不死是正常的，你继续去追踪一下，一小时不行，二小时，再不行照它一天、一周左右。”

　　最后他告我，“照一、二个小时，它涨得更猛了，照几天好像也没有什么变化，老师，我觉得这不是一个好的方法。”

　　我说好，我就咬咬牙、跺跺脚，去了旁边的理化所，我们新疆有个理化所，为什么去那里？为什么跺脚？因为它有一个很厉害的钴源辐射的机器，很贵呀，所以我要咬咬牙、跺跺脚，它是有开机费的，对吧？一开机就是多少万元的水平，这是人类能做的最强的一个辐射的方法，我们去照它，而且我们当时有点不自信。

　　我们把低浓度、高浓度全部试了一遍，拿回来以后没有什么影响，照样可以复苏，我们证明了它能耐受至少超过5000Gy左右的伽马辐射，这是什么概念呢？

　　我们人只能耐受10Gy+就会死亡，一般的植物可以耐受100~200Gy，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，才会有一点受伤害的感觉，但是伤害是伤害，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。

　　我们就来梳理一下我们拿到的东西和证据。能够干而不死，这是从我的恩师那里传承来的，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，有什么秘诀？这才是我最想知道的一个问题。

　　在我们研究所的生态组和分子组，两大组接近三十年的研究的历程中，我们初步理清了它是一个非常聪明的小家伙，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，它的叶片是像碗一样的叠起来的，这样起到了一个很好防止水分散失的功效；它上面有很多白色的，它的芒尖系统，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，所以能够抗住辐射，能够给它在沙漠里面降温，更重要的功能，我们发现芒尖跟它的干而不死有非常大的特性，我们跟合作者一起证明了芒尖是它大自然进化出来的极其精巧的结构。

　　大家看到这个白色空腔状的物质，其实你仔细去鉴定下看，它排列得非常精巧，从纳米到微米，到毫米级别的，最大量去捕获水的一个天然系统，它能干什么？沙漠没有水，但是早晚有雾水、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。所以它是用看不见的水来保命；

　　那么再往细胞层面去看，它一定有一个非常厉害的东西。一个东西被完全干燥皱缩，在给水的时候，它会“嘭”，细胞壁和细胞膜会破裂和崩解，一旦破裂和崩解，这个生命就会走向死亡，那么齿肋赤藓不是这样的，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，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、高弹性以外，它还有一系列的方法跟逆境去斗争。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℃，抗冻剂在里面起到了一个非常好的保护效果，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，在脱水的时候可以维持它的渗透平衡；

　　另外任何逆境都会造成损伤，它不是不造成损伤，只是它有一些非常强大的“清洁大军”，能够非常高效地把这些损伤清除掉；

　　最后当逆境实在是到了最极限的时候，它学会了“躺平”，进入了省电模式，把唯一剩下来的微量的能量，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。

　　任何东西都要提到基因层面的影响，我们对它的基因组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，这些生存密码，特殊的基因，就像一个非常好的指南，去告诉它，一般的逆境来了，我怎么抗，严重的来了，哪些基因出发去保护，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，它学会了什么？学会了提前存储，我把水存到那儿，等你没水的时候，我赶紧发挥功能，等你水来的时候，我也赶紧把它释放出来，所以它是一个从基因上说明非常聪明的一套策略。

　　即使这么强的苔藓植物，它还特别善于心计，什么意思？

　　它很会借力。它原生境是一块结皮，就是由齿肋赤藓组成的主要成分，但是里面其实还有一些微生物，尤其是根系微生物，还有一些看不见的藻类等等，这些抗逆性也非常强，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。

　　此外植物本身还有很多内生菌共生，我们也尝试把这些内生菌分离出来，去掉内生菌以后，它的各种极限的抗性是会有一丝丝减弱的，我们把这些内生菌拿出来，去试极端逆境，也非常的强悍，所以它是一个非常会合作，它学会了强强联合，美美与共。

　　那么这样一个聪明的小小苔藓植物，它对我们的启发是什么，它能不能为我们人类所用？就像它在原生境，古尔班通古特沙漠一样，它能不能去把撒哈拉、塔克拉玛干给绿化了呢？

　　我要说这是一个可以被实现的目标，尤其现在全球气候变化的背景下，这种荒漠系统、沙漠系统的生态修复和保护显得尤为重要和迫切，包括我们研究所团队和国内很多团队也都在做这样的一个尝试，已经成功的构建了一系列的技术体系，包括苔藓怎么去撒，怎么去播，在室内把它养成一大块像草坪一样，直接往沙漠里面去摆和铺等等这样一体系，同时也包含了它的合作者，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，做成了一系列的一个技术体系，也初步在一些沙漠进行了一个释放，效果现在还是比较好的，但是还是在实验阶段。

　　所以我们初步证明了一种可能性，就是利用大气水让苔藓来为沙漠披绿毯是可行的，而且未来应该是大有可为的。

　　第二个还是讲到基因的问题，它这么强，肯定有一些干而不死，冻而不死的基因，如果我们能找到这些基因密码，把这些基因密码给到那些不具有这种抗性的植物或作物里面，能不能创造出超级植物和超级作物，来应对环境变化和粮食安全呢？

　　这个是我们做过的工作，也做了十几年。比如说我们把一个干而不死的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，但是加进去以后，拟南芥75%会存活，大家想一想差距，所以还是非常有潜力的。

　　当拿到这个结果以后，我们就非常兴奋地赶紧去做作物的尝试。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，去评估转入这个基因与否对棉花的影响。

　　我们惊喜发现了，确实在正常情况下，能让棉花长得快，长得大，高产，当逆境节水下，就是少浇水的情况下，它依然有很高的产量，比没有转化提高了18%~30%之间，这个差异是因为我们在南北疆、不同地块、不同年份导致的一个自然的变异数据。

　　更让人惊喜的是，这个材料在黄萎病的病田里，不仅干而不死，还实现了极强的抗黄萎病的抗性。棉花黄萎病也叫棉花的癌症，它没有什么药可治，自然界里也不太有这种比较强的自然变异的野生型，所以转入一个基因，是一个比较好的有前景的策略。那么我们的基因就证明了，它可以让棉花的产量提高30~40%，是什么概念？黄萎病来的时候棉花基本上绝收，那么转了我们的基因，至少能收30%的一个棉花的产量。

　　另外我们也在想大胆尝试，它在地球上干的就是去拓荒，去占领荒漠，那火星是什么？火星不是叫荒漠星球，就叫沙漠星球对吧？

　　它能不能干这个事情，上火星去，把火星也绿化一下？

　　我们是正儿八经做了对比和实验。我们古尔班通古特跟火星，是不是非常的相似，包括火星车轧过的痕迹，跟我们采样车轧过的痕迹都如出一辙，但是唯一的不同是沙漠里有了我们齿肋赤藓，它就不那么荒凉，我们来比较一下，做一点科学的东西，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没有氧气，高二氧化碳的区别，还有就是极端低温，平均温度大概在零下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，在我们中科院的空间中心，我们去搭建了这样一个火星模拟舱，完全符合它的温度、辐照、没有水等等一系列的条件，我们把它扔进去。1天、3天、7天、30天，当时很胆战心惊，当30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的时候，我们确信它是可行的。

　　这个工作7月份在国际期刊《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。

　　那么除了地球、火星的生态安全和粮食湾的安全，它还能干什么？

　　我们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，一点点的收集之后，成一瓶一瓶、一桶一桶，不仅对于我们人类用的，尤其对于一些比较极端环境，尤其是火星，如果未来大气中有一定的水气，我们就给它“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，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，也会提供很多借鉴。

　　我们这样一个小小的超级齿肋赤藓世界，其实是地球，是大自然亿万年进化出来的智慧结晶，但是在大千世界里，除了它，还有很多小小的精灵，都是生命的奇迹。大胆认识它吗？它叫水熊虫，是一种缓步动物门的小动物。看着它很可爱很大，其实它只有我们小小苔藓的1%那么大，但是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。

　　除了水生虫以外，很多火山、冰川、盐湖等等有非常多的嗜极微生物，它们具有非常强的抗逆能力，抗辐射、抗酸碱、抗热等等，除此之外，还有无处不见的地衣，还有很多藻类，也是非常强悍的。

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

　　今天我想告诉大家，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的边界，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，同时也为我们去开拓更广阔的宇宙世界，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。

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