将跨越500年的微生物实验

遗忘的培养皿

2003年的一个晚上，在英国剑桥镇的一个国家实验室里，研究员查尔斯・科克尔把一个新的培养皿放在他面前的实验台上，打开圆形盖子并向里面黄褐色的琼脂（细菌的培养媒体）上注射细菌试液，然后用记号笔在盖子上记下细菌的名字（拟色球藻）、日期和他姓名的首字母，并盖上盖子并密封。

接下来，科克尔应该把这个样本放置在高强度辐射之下，通过记录细菌活着和死亡的数量，来评估细菌在高辐射下的耐受性。但经历过漫长的劳作后，他将培养皿遗忘在了一个错误的地方。没过几天，里面的琼脂就自然地发生了干裂。

这个培养皿一下子就被遗忘了10年。

2013年，科克尔转任英国爱丁堡大学的天体生物学教授。当他开始在原来的实验室收拾物品时，在某个抽屉里发现了这个被遗忘已久的培养皿。于是，他头脑里冒出了一个任何生物学家都会问的问题：里面的细菌存活下来了吗？

经过几个月的再次培养之后，科克尔发现被遗忘的培养皿里长出了一些绿色的小斑点――他的拟色球藻的确存活了下来。但在十年没有水的环境中，它们是怎么存活下来的呢？

微生物会休眠

拟色球藻是一种蓝菌，可以通过光合作用获取能量。在野外，它主要生活在以色列内盖夫沙漠里的岩石中。那里基本上是艳阳高照，终年少雨，每年有水的日子还不到50个小时。不过，通过进化，拟色球藻已经掌握了在极端缺水的条件下生存下来的技能。拟色球藻会进行脱水，并同时用很厚的外壳把自己密封起来，之后进入休眠状态，这样它们就会挺过漫长的干旱。当周围环境的改善时，它们就会重新复苏过来。

事实上，自从我们知道有微生物的存在，就知道微生物会休眠。17世纪70年代，荷兰生物学家安东尼・凡・列文虎克借助于自己制造的显微镜，首先观察到了微生物。之后，他还收集了一些干燥的微生物，并加了一些水，然后用显微镜观察。他观察到“微生物开始伸展它们的身体，在半个小时之内至少有100多个开始在玻璃上游来游去。”列文虎克所发现的，是轮虫从休眠到复苏的过程。轮虫是一种很小的车轮形动物，可以在许多淡水环境中找到它们。不过当环境变得恶劣时，它们就会脱水为一个椭球，进入休眠状态。

列文虎克继续着他的研究，直到他去世为止。不过，同时代的生物学家很少对微生物感兴趣，微生物学的研究陷入了自己特殊的休眠状态。在被忽视了几十年后，一批生物学家从对使小麦枯萎的线虫的研究开始，重新燃起了研究微生物的热情。

节电模式或关机

在接下来的几年里，生物学家发现各种各样的微生物，例如细菌、缓步动物（水熊虫）、卤虫和酵母菌等等，都具有休眠能力。大多数微生物采用的休眠方式就是使自己脱水，然后进入休眠，以此对抗恶劣的环境。

水是生命的必需品，这些微生物没有水是怎么存活下来呢？“水替代假说”认为，它们会把细胞内的水替换为蔗糖、海藻糖等液体。结果是细胞内变为类似玻璃那样，这不仅能保护细胞的结构，而且还会减少不必要的化学反应，降低新陈代谢速率。它们就像一些手机在快没电时进入节电模式一样，等待条件改善。

这似乎也是拟色球藻的把戏。但是还有一些细菌不具有节电模式，它们不得不完全关机，也就是说完全关掉新陈代谢。不过，它们会在体内形成一种耐受性极强的芽孢――一种包裹DNA等重要分子的多层的茧。换句话说，它们把DNA等重要分子装进多层的堡垒里，门是锁着的，唯一的钥匙是环境的改善。

随着研究的进行，休眠的微生物已经被用来进行各种各样的极端实验。它们被放在高辐射、高压、冰冷或炽热的环境中，有的还被发射到太空中。但是，我们却从来没有实时地观察它们是怎么休眠的，因为微生物的休眠可以跨越几百年、几千年，甚至几百万年。我们知道的只是记载微生物休眠故事的最后一章，而前面的章节却是缺失的。

科克尔意外地促成了一个10年微生物实验之后，他决定把这个意外实验拓展为一个世界上最长的微生物学实验，将历经500年，来寻找生物休眠故事中缺失的章节。

500年的实验

从2014年7月1日开始，到2514年6月30日为止，科克尔的“500年实验”将监测微生物在5个世纪里的休眠状况，为现在和未来的科学家提供一个了解微生物休眠的独特机会。

实验设备很简单，总共就两个木盒子。一个盒子放在爱丁堡，另一个盒子放在伦敦自然历史博物馆。每个盒子有400个小玻璃瓶，分为两列放置。一半的玻璃瓶装的是拟色球藻，另一半装的是已生出芽胞的枯草芽胞杆菌（第一个被发现能产生芽孢的细菌，是科学家常用的实验样品）。每个玻璃瓶都是无水环境，而且为了能保持干燥，里面都装有一粒硅胶球（一种干燥剂）。每个盒子的上层，都有一层很薄的铅，用来降低部分背景辐射带来的影响。

别看这个实验要经历500年，其实不需要花费太多精力的。只需把盒子放在实验室即可，每隔一段时间，研究人员需要做一次检测，移除里面的一些样品，并对移除的样品里的细菌生存情况进行分析和比较。目前的计划是，前24年是每隔2年检测一次，之后则是每25年检测一次。这样，一代又一代的科学家可以跨越几个世纪的时间，来监测细菌的休眠状态。

破解微生物休眠难题

这个实验将会解决许多关于微生物休眠的难题。例如，在休眠期间，同一种类的微生物的死亡速度都是相同的吗？还是少数的能活得很长？或者，大部分微生物都会活到某一个时刻，之后就会发生大量死亡？

另外，我们知道，DNA会在内部的或外部的因素影响下会发生变异或损坏，而正常的细胞都具有修复DNA的能力。但是，微生物脱水休眠后，细胞的活动都处于低能状态，虽然损坏的DNA可以得到修复，但速度缓慢。至于生成芽孢的细菌，基本上就没有任何新陈代谢活动，芽孢内的DNA只能在再次有水的情况进行修复，但芽孢有很厚的多层外壳，能抵挡住外界许多影响。

那么这两种方式哪个更好？保持一定的新陈代谢，还是躲在铜墙铁壁后完全不活动？也许，这个500年实验能回答这个问题。

美国密歇根州立大学的布莱恩・韦德知道了这个500年实验后，决定也参与进来。他想知道休眠如何影响微生物的进化和适应能力的。他计划让每一批复苏的细菌与正常的细菌在同一培养皿中竞争，计算幸存者，就可以知道休眠是否会影响微生物适应压力（竞争对手带来的压力）的能力。

在未来的几个世纪里，科克尔的实验应该能够回答上面的问题。最后还有一个问题：对微生物休眠的深入了解，是否有助于我们搞清楚如何让人进入长期休眠呢？时间将会告诉我们答案。