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帮助分解尸体,细菌蛆虫或成“丧尸末日”中人类救星

如果像美国恐怖电视剧《行尸走肉》中的场景真在现实中上演,我们如何在这样的世界中生存,用什么来应对丧尸的“围捕”。科学家们认为,或许微生物、蛆虫会成为更好的武器。

美国新泽西州罗格斯大学法医考古学家金伯利·莫兰(Kimberlee Moran),专门研究人类遗骸以了解过去可能发生的事情。她解释说,当人死后,尸体不会自己站起来,更不会拖着步子走出门外。想象他们像丧尸那样行动完全是错误的,他们哪儿也去不了。

莫兰表示,没有任何东西可以驱动尸体重新动起来。大脑利用神经系统通过电脉冲控制身体运动,因此当一个人死去时,这些电脉冲就会消失,丧尸蹒跚学步式的活动也会随之消失。莫兰指出,即使疯狂的科学家或邪恶的外星病毒设法让这些电脉冲再次启动,宿主移动起来也会非常困难。

莫兰说:“阻碍尸体重新活动的第一个障碍就是身体僵硬的问题。当一个人死亡时,他的细胞不会立即死亡,其间发生的许多生理反应都在继续。但是由于呼吸已经停止,这些细胞无法再获得任何氧气。氧气是细胞充能所必须的媒介。肌肉细胞(以及体内所有的细胞)都依赖于一种叫做三磷酸腺苷(ATP)的分子。当它们收缩和放松时,就会使用ATP。能量损失会导致ATP转化为二磷酸腺苷(ADP)。然后,在氧气的帮助下,一个化学过程将ADP的能量加载上去,将其转化为ATP,然后再次使用。”

若没有氧气的帮助,这个循环过程就会停止。但细胞中并没有留下未充能的ADP。厌氧活动(在没有氧气的情况下产生能量)会使细胞持续存活一段时间。然而,厌氧活动有个很大的缺点,它会产生一种叫做乳酸(lactic acid)的副产品,可以在短时间内将ADP转化为ATP。莫兰称,这足以使肌肉收缩,但却不足以让肌肉再次放松。没有ADP-ATP的循环,肌肉就会保持收缩状态,身体被锁定在”剧烈的抽筋”状态。死后三到六个小时就会开始僵硬的尸体,肯定无法让丧尸在街道上游荡。

自溶-腐化

莫兰指出,尸体在变得僵硬很久之前,就已经开始分解。细胞中含有能消化细胞的酶。当细胞存活时,它们会小心地将这些酶储存在远离细胞其他部分的地方,并在那里处理废物。但是在人死后,这些酶被释放出来,并开始破坏它们以前的“家园”,这个过程被称为自溶。莫兰说:“细胞破裂,一切软绵绵的东西最终都会液化,包括肌肉和器官,因此丧尸重新站起来蹒跚前行的可能性非常小。”

这些酶并不是唯一让尸体失去动力的东西。人体内的细菌也始终保持在消化状态。没有食物从食道流下来,它们就会把肠子里的食物和任何挡在它们前面的东西都吃掉。莫兰解释说:“你和肠道里没有氧气的细菌关系十分密切。但是当你死的时候,没有食物进来。细菌变得焦躁不安,开始消化宿主。”

这个过程被称为腐化,它会产生一种强烈的、令人反胃的气味,让人联想到死亡。

自然吸引力

人类不是唯一能闻到死人气味的生物,被这种气味吸引的还有苍蝇。厄瓜多尔昆虫学家南茜·米奥雷利(Nancy Miorelli)解释说:“绿头苍蝇会首先到来,它们有灵敏的触须,能在6至19公里外嗅到尸体的气味。它们在几分钟内就会出现在现场。”绿头苍蝇不吃人肉,但它们的后代却不忌口。绿头苍蝇和其他苍蝇在尸体上产卵。这些卵孵化成蛆虫,以吸收液化身体中的营养为生。

蛆虫会吸收细胞和细菌留下的东西。米奥雷利说:“这样,你的头发、肌腱、皮肤、骨骼就会变得很硬。”这些较硬的材料可能会保留更长时间,但即使如此,最终也会被分解。随后甲虫的到来是为了伸出援助之手,或者更确切地说,是伸出嘴巴。它们有可用于咀嚼的嘴部,可以咀嚼和分解苍蝇无法消化的东西。在完美条件下,没有虫子,尸体会在一两年内变成骨架。

但地点很重要,温暖的环境会加速这个过程。在亚马逊,这个过程只需一到两个月。在其他虫族的帮助下,米奥雷利表示,尸体被消化的时间可以从几个月减少为几个星期,这不会给丧尸留下太多重新站起来的时间。尸体所处的位置也很重要。蛆虫是没有脚的、蠕虫形状的幼虫,所以它们很容易从不平坦的表面掉落。如果尸体是躺着的,腐烂的速度会更快,因为蛆虫不会掉下来。但如果丧尸在走路,他们会留下一地蛆虫。

凉爽的环境可以减缓这个过程。微生物和虫子在温暖的天气里工作效率都很高,而寒冷的天气可以帮助丧尸们在更长的时间里(几个月甚至几年)保持身体平衡。米奥雷利指出:“南极洲、加拿大的部分地区,那里的丧尸可能更可怕。”

但莫兰却并不担心。即使尸体保持新鲜,它们也永远无法与大脑联系起来。莫兰说:“如果一个人真的死了,绝不会再重新站起来。如果他们继续拖着脚走路,从技术上说,他们就还没有死。所以关于丧尸的电影、书籍和游戏不应该让人晚上难以入眠,生物学和昆虫都是对付丧尸的利器。”

地球生命保护者

这些微生物就在我们身边。尽管人们对它们知之甚少,但它们却可能是在天灾人祸中保护地球上生命的关键。

图2:从大自然到人体内部器官,世界上到处都是看不见的细菌。大多数人认为这些细菌都是危险的,不过生物学家们可能更了解它们。研究这些鲜为人知的微生物,可以更好地揭示它们为何能成为“看不见的生命支柱”来发挥作用的

维多利亚·欧凡(Victoria Orphan)从记事起就热爱海洋。她曾在加州圣迭戈自家附近的太平洋上潜水,去探访海洋表面下隐藏的动植物世界。上世纪90年代初,欧凡在加州大学圣巴巴拉分校就读时,发现了许多改变她对海洋和地球生命看法的东西。

另一个学生给她看了一小瓶海水,欧凡并不认为它有什么特别。然后,在水中加入荧光化学物质,并用紫外线照射后,数以百万计的细菌开始发光,试管也亮了起来。就在片刻之前,这些微生物还是隐身的。欧凡说:“这些微生物到处都是,但我们却看不见它们,我们对他们几乎一无所知。”现在,欧凡几乎每天都在探索这个隐藏的单细胞世界。作为加州理工学院的地球生物学家,欧凡研究细菌和其他微生物如何帮助塑造深海景观。

图3:在研究船上,欧凡拿着从海底捞起的沉淀物,橙色物质是一大团细菌。研究人员从加州附近海底的裂缝中收集这些微生物,那里是甲烷气体渗出的地方

细菌在许多生态系统中都扮演着中心角色,包括海洋、土壤和大气中,它们也是全球食品网的重要组成部分。此外,细菌还在帮助地球上所有其他生命延续生存。这就是科学家们为何称这些单细胞生物是“所有生命无形支柱”(至少在地球上)的原因。然而,我们对它们还有很多疑问。科学家们认为他们已经鉴定出的细菌种类还不到所有细菌种类的1%。这促使欧凡和其他人深入探索单细胞世界的奥秘,他们怀疑细菌将成为理解和保护地球最重要自然资源的关键。

甲烷食客

有些细菌以看似非常怪异的东西为生。科学家们已经发现了可以吞噬岩石、污水甚至核废料的细菌。欧凡研究的是一种生活在海底并吞噬甲烷的细菌。甲烷是一种温室气体,就像二氧化碳和其他温室气体一样,当人们燃烧石油、天然气和煤炭时,甲烷就会进入空气。还有天然的甲烷来源,如天然气、水稻生产和牛粪中。温室气体在大气中吸收热量,促使全球气候日益变暖。

甲烷也可以从地下渗入海底。有些科学家说,如果没有海洋细菌,更多的甲烷会释放到大气中。有些细菌以甲烷为食,这使得海洋能够捕获大量的气体。欧凡解释称:“这些微生物是‘看门人’,它们阻止海洋甲烷进入大气层,从而难以改变温室气体的含量。”

在广阔的海底寻找单细胞生物是一项艰巨挑战。透过潜水艇的舷窗,欧凡在寻找成串的蛤蜊和巨大的管虫。这些生物发出的信号是,看不见的海洋细菌也生活在那里。在那些以甲烷为食的动物生活的任何地方,它们在进食时都会产生新的分子。其他生物利用这些新分子作为食物,整个食物网就在海底形成了。

欧凡和她的团队在海底的裂缝中发现了甲烷吞噬细菌,这些气体正从裂缝中渗出。这些裂缝经常发生在两个构造板块相互碰撞的地方。他们了解到,有些细菌只能通过与其他被称为古菌属的单细胞生物合作才能吃掉甲烷。欧凡说,这一重要的细节可以帮助科学家更好地预测有多少甲烷泄漏到空气中。

深海沟壑

甲烷食客并不是唯一引起科学家兴趣的深海细菌。特拉华大学海洋微生物学家珍妮弗·比德尔(Jennifer Biddle)说:“深海是许多炫酷微生物的家园。”比德尔研究生活在深海海沟中的细菌。

图4:马里亚纳海沟是地球上最深的地方,比德尔和同事们发现了关于在这里生存的细菌的新线索

这些水下峡谷是地球上被研究最少的地方之一,它们很难接近。这个被称为“挑战者深渊”(ChallengerDeep)的地方创造了探索地球上已知最深地点的纪录。在西太平洋的马里亚纳海沟底部,挑战者深渊延伸到海平面以下约11公里处。如果世界上最高的山峰珠穆朗玛峰坐落在马里亚纳海沟,它的顶峰仍将在水下1000多米处。

马里亚纳海沟是最难生存的地方之一。那里没有阳光,温度很低。大型动物(如鲸鱼或大鱼)无法生存,因为巨大的海水压力会压垮它们。因此,大多数当地“土著”都是显微镜下的动物也就不足为奇了,它们已经适应了那里的极端条件。比德尔和其他科学家与深海探险者合作,向挑战者深渊发射了一艘潜艇。

《阿凡达》和《泰坦尼克号》等电影的导演詹姆斯·卡梅隆(James Cameron)驾驶着这艘船。2012年3月,卡梅隆在制作名为《深海挑战3D》的纪录片时造访了挑战者深渊的底部。但这艘潜艇的艰难下潜不仅仅是为了在大屏幕上播放迷人的视频,它还从底部带回了沉淀物。比德尔和其他科学家对沉淀物进行了DNA筛选。他们在寻找熟悉的细菌基因,发现了被称为Parcubacteria的证据。

直到2011年,科学家们才知道这类细菌的存在。当时,他们在地下水和土壤中发现了部分迹象。但比德尔的研究小组现在证明,它也能在海洋最难以接近的深处生存,比如马里亚纳海沟。微生物在那里呼吸的是氮气,而不是氧气。这是有道理的,它们已经适应了氮气,因为它们所生存的环境里几乎没有氧气。比德尔说,我们发现的这种鲜为人知的细菌越多,我们就越能了解它们对生态系统的作用。

甚至我们厨房和堆肥里的细菌也引起了科学家们的兴趣。酵母面包是在面包粉中混合了大量的细菌后,产生了独特的酸味所致。这些细菌产生二氧化碳、酸和其他有味道的化合物。但要发挥作用,酵母细菌需要其他朋友帮忙。只要从混合物中分离出一种细菌,化学反应就不会发生。

微生物学家史蒂夫·辛格(Steve Singer)住在以酵母面包闻名的加州城市旧金山附近。他在劳伦斯伯克利国家实验室的能源部工作,并怀疑他可以利用酵母的经验来制造更好的生物燃料。这些植物燃料可以为汽车或卡车提供动力,它们被认为是“绿色能源”,比化石燃料更环保。

图5:细菌瓶放在窗台上,瓶子里有白色物质。微生物学家史蒂夫·辛格(Steve Singer)研究生活在垃圾上的细菌

为了制造生物燃料,科学家必须把植物分解成糖类,这些糖可以被转化为乙醇(酒精)等燃料。分解植物的化学反应需要酶的帮助,这些分子能启动或加速化学反应。目前,用于制造生物燃料的酶很昂贵,而且效率也不高。这就是为什么全世界的研究人员都在寻找能够降低成本并加速生物燃料生产的酶的原因。

辛格把寻找它们的目光转向堆肥堆。在那里,细菌群落正在努力分解腐烂的水果和蔬菜。辛格把一小块堆肥样本带回了他的实验室。在那里,他让来自堆肥的细菌在烧杯里生长。后来,他收集了这些细菌产生的酶,并在其他植物上进行了测试。这样做产生了效果,酶把植物分解成糖。

就像酸面团细菌需要它们的朋友来发挥作用一样,辛格发现这些微生物只有当它们来自不同的堆肥细菌群落才能产生有用的酶。辛格现在正在扩大他的计划,其团队正在一个叫做生物反应器的巨大容器中培育细菌。在制造出大量的新酶之后,他可以测试它们是否比现有的酶更有效地将植物废料转化为燃料。

元基因组

辛格正在研究他的新酶,却不知道是哪些细菌在制造它们。这并不奇怪,细菌是肉眼看不见的。即使有显微镜,区分两个物种也很难。它们看起来不像两种鸟类或花那样截然不同。科学家需要一种不同的方法来区分细菌,并知道它们何时诞生了新的细菌。这项调查的关键时DNA。所有的生物体在他们的环境中都会释放些DNA。在荷兰生态研究所研究细菌的凯利·拉米雷兹(Kelly Ramirez)解释称:“这就像一个指纹,每个都是独一无二的。”

擦洗橱柜台面,你可能会发现人类的DNA。也可能有些植物DNA(来自刚刚切好的蔬菜),或几种真菌的DNA。如果你养宠物,甚至可能会有些狗或猫的DNA。你也会得到一堆细菌DNA,因为细菌几乎无处不在。所有被丢弃的基因片段都被称为环境DNA(eDNA)。

图6:超过1000名科学家正在共同努力对地球上所有的细菌进行分类,他们的项目被称为地球微生物项目(Earth Microbiome Project)。到目前为止,他们已经收集了超过10万份细菌样本

拉米雷兹指出,科学家可以利用这些基因指纹来发现新的细菌。他们只需要带些泥土、海水或堆肥到实验室,看看里面有什么。环境中所有遗传物质的总和被称为元基因组(metagenome)。尼克把它想象成DNA汤,所有用于构建不同生物体基因的分子都混杂起来。科学家们用计算机来解开这团乱麻。

计算机程序像筛子一样过滤DNA汤。科学家们会从中寻找熟悉的基因序列模式,它们形成了生物体的DNA指纹。如果科学家们发现了他们无法识别的指纹,那可能是因为它来自新物种。科学家们可以将这些模式与熟悉的细菌指纹相比较,看看新细菌来自生命之树的什么地方。比德尔解释道:“我们现在可以在看不到的情况下发现新的微生物。”

生命之树的细菌枝干正在以前所未有的速度长出新芽。30年前,地球上所有已知的单细胞生物都可以分成十几个主要类群。现在大约有120个已知的类群,而且每组细菌的数量每天都在增加。

小生命,大数据

当你把数以百万计的新细菌DNA序列加起来时,你会得到什么?大量的数据。美国阿贡国家实验室的微生物学家杰克·吉尔伯特(Jack Gilbert)说,你可以把地球想象成一台机器,把地球上所有的生态系统想象成机器的部件,所有这些关于细菌DNA的数据都是“了解组成机器部件以及它们如何协同工作”的关键。

吉尔伯特的团队正试图将这些数据整理成地球上所有细菌的虚拟目录,它被称为地球微生物项目(Earth Microbiome Project)。全世界1000多名科学家正在帮助收集样本。他们在不同的环境中寻找细菌,然后测试细菌DNA。到目前为止,研究人员已经收集了10万份样本。他们已将深海细菌分类,在距离地球350公里的国际空间站上发现了细菌,在热带雨林和公共厕所等普通场所发现了细菌。

要了解不同生态系统是如何驱动“地球生命”这台巨大机器的,首先要找出潜伏在那里的细菌,以及它们的原因。吉尔伯特说,了解细菌可以帮助我们回答有关地球如何运作的问题。细菌可以解释为什么海洋中的珊瑚礁上充满了生命,或者可以解释为什么北美大草原的土壤很适合种植农作物。这就是为何这项研究如此重要的原因,他说:“这是可以帮助我们更好地保护地球的知识。”