活虫不怕热水烫（没错，这是只虫子！）丨一周趣科学vol.85

生命新极限：火神阿米巴虫

想象一下，在足以烫伤皮肤的热泉中，绝大多数生命都已绝迹，却有一种微小的单细胞生物正在悠闲地觅食、分裂、繁衍。这并非科幻场景，而是科学家在美国拉森火山国家公园的真实发现。一种学名为“Incendiamoeba cascadensis”（意为“来自喀斯喀特的火阿米巴虫”，以下暂称火神阿米巴虫）的新物种，刷新了我们对真核生命耐热极限的认知。

（注：阿米巴虫，又可称变形虫，指那种身体可以不断变化形状、伸出伪足来移动和摄食的单细胞原生生物。）

也许有读者了解过，人们曾在100多℃的热泉中找到过生物，但那些生物基本都是古菌类生物，细胞结构非常原始和简单。而像人类一样的真核生物，例如植物、动物、真菌等，到了60℃基本就无法生存了。

然而，这种新发现的阿米巴虫不仅在60℃的环境中活动自如，甚至能在高达63°C的热水里进行细胞分裂，将生命耐热纪录一举提升了3度。

研究人员通过精密的生长实验证实了它的繁殖能力，并借助高倍显微镜，首次清晰拍摄到了它在63℃高温下进行细胞分裂的完整过程。

这种阿米巴虫为何如此耐热？科学家们解读了它的基因组，发现了其生存秘诀。与生活在常温下的近亲相比，火神阿米巴虫的细胞内装备了丰富的热休克蛋白，能防止高温导致的其他蛋白质变性失活。同时，其信号传导通路也更为发达，能快速感知并应对环境的热波动。

这项发现的意义远不止于打破一项纪录，更是从根本上挑战了关于真核细胞无法在高温下存活的旧有理论框架。火神阿米巴虫向我们证明，真核生命适应极端环境的能力可能远超人类想象。

火神阿米巴虫（图片来源：Natalie Petek-Seoane）

课代表总结：这些透明的小东西竟然是生命！太神奇了！

参考文献：

Rappaport, H. B. et al. Preprint at bioRxiv: https://doi.org/10.1101/2025.11.24.690213 (2025).

致病菌的基因为什么比非致病菌多

基因冗余是指多个基因承担相似或重叠功能的现象，这在细菌等原核生物中普遍存在。一般情况下，细胞里基因越多，细胞工作的负担就越重，按理说细胞应该恨不得一个基因掰开成两个使才对，为啥会用多个基因行使同一个功能呢？过去，科学家对这种现象的具体作用知之甚少。

近日，一项发表于《自然·通讯》的研究揭开了原核生物基因冗余的复杂面纱。北京大学怀秋竹教授团队通过大规模基因组分析与进化建模，系统解码了基因冗余的模式与影响，为理解细菌致病机制带来了全新视角。

研究发现，致病菌基因组中的冗余基因并非无意义的复制，而是进化的结果。这些基因备份为细菌提供了韧性与灵活性，帮助它们在宿主的恶劣环境中存活、逃避免疫打击。

简单地说，当某个关键基因被宿主免疫或抗生素攻击失效时，细菌仍可通过其他功能相似的冗余基因维持致病能力。这种基因层面的保险机制，使得相关疾病治疗更加困难，也提示未来的抗感染策略必须考虑基因冗余带来的鲁棒性。

研究团队整合了超过两千株细菌的基因组数据，包括金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌等常见病原菌。通过比较基因组学与系统发育分析，他们识别出与毒素产生、黏附因子、抗生素抗性等毒力特征直接相关的保守冗余基因集。

研究进一步阐明，基因冗余并非静止状态，而是在宿主选择压力下不断演化的动态特征。冗余基因为细菌提供了遗传实验场：一个副本维持原有功能，其他副本可积累突变，可能催生新的毒力因子或抗性特征。这种进化可塑性正是多重耐药菌株持续出现并难以应对的核心原因。

这项研究对临床实践具有直接启示。传统的基因组筛查聚焦于单一毒力基因，可能忽略那些在主要基因失效时代偿功能的冗余副本。在治疗策略上，针对冗余基因网络而非单个基因或蛋白，或许能更有效地削弱细菌的毒力与适应力。

a) frmA拷贝和推定的ZADH拷贝的基因环境。 b)鲍曼不动杆菌、大肠杆菌SQ2203菌株和不动杆菌属Tol 5质粒的frmRA (B)操纵子以及鲍曼不动杆菌中保守的frmA拷贝的比较。c)ECC与人类肠道微生物之间冗余基因的水平基因转移。（图片来源：参考文献）

课代表总结：工作保留备份的重要性！

参考文献：

Wang, P., Guo, Q., Jiang, X. et al. Deciphering gene redundancy in prokaryotic genomes provides evolutionary insights for pathogenicity and its roles in clinical infections. Nat Commun 16, 10797 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65840-7

钙离子：植物细胞的吹哨人

植物没有像动物那样复杂的免疫系统，这让它们必须想出别的方法来保护自己。

当病菌入侵叶片时，被感染的细胞虽然避免不了被戕害的命运，但它往往会堵住自己通往其它细胞的通路，使得病菌被锁在它的细胞壁内，从而阻止一场瘟疫在整个植株里的蔓延。

但是科学家发现，其它细胞虽然没有接触到病菌，但是仍然会进入战争状态，制造一系列防御蛋白严阵以待。这说明，死掉的细胞一定向周围的细胞发出了某种信使，通知大家做好准备以防不测。

近期，美国普渡大学EMBRIO研究所的一项最新研究揭示了这种神秘的信使，它就是钙离子。

原来，在细胞内部，钙离子浓度平时维持在较低水平。一旦细胞感知到入侵信号，胞质内的钙离子浓度会迅速发生变化。

更妙的是，钙离子浓度本身并不是出发免疫反应的信号，它的浓度峰值、幅度和频率才是真正让细胞知道病菌入侵的暗号，仿佛就是怕浓度变化被病菌发现而偷偷地传递情报——有谍战的味儿了。

此前研究已知，叶片受到细菌感染时，会生成一种快速移动的钙波，传递到整株植物的其他叶片，启动系统性防御。而这项新研究将视角聚焦到更微观的组织和细胞层面，发现并非所有细胞同时或以相同方式做出反应。实际上，存在一小部分“先遣细胞”，它们率先生成局部的钙离子波，仅警示周边少量细胞。

为了精确捕捉这些转瞬即逝的钙信号，研究人员自主搭建了一套实时光学成像与定量分析系统。该系统能够在观测过程中实时施加刺激，并可靠记录处理前后的钙信号动态，为揭示钙离子在植物防御中的精细功能提供了关键技术支撑。

这项跨学科研究不仅深化了我们对植物免疫信号传递的理解，也为未来开发新的作物病害防控策略指出了可能路径。

研究作者制备植物样本，用于共显微镜成像（图片来源：Purdue Agricultural Communications）

课代表总结：钙离子也会摩斯密码？

参考文献：

Weiwei Zhang et al. ,Local traveling waves of cytosolic Ca2+ elicited by defense signals or wounding are propagated by distinct mechanisms in Arabidopsis.Sci. Signal.18,eadw2270(2025).DOI:10.1126/scisignal.adw2270

卫星光污染已蔓延至近地轨道

在城市里看不到星空，是因为城市的光污染阻碍了我们的观测。所以科学家把望远镜发射到太空中，从而能摆脱地面光污染的困扰，获得清晰的宇宙视野。但最新研究揭示了一个令人不安的趋势：随着卫星产业的发展，太空中也出现了日益严重的新污染源。

对哈勃望远镜2018至2021年观测数据的分析显示，已有4.3%的图像出现了人造卫星划过所留下的光带。

目前地球上空的卫星大约不到两万颗，但是按照目前全球的卫星发射计划，2030年前全球卫星规模会达到56万颗。这些卫星大多将部署在340至8000公里高度的轨道上，正好处于众多太空望远镜的观测范围之内。

著名的哈勃太空望远镜就运行在540公里高度。2018至2021年观测数据的分析显示，哈勃望远镜已有4.3%的图像出现了人造卫星划过所留下的光带。在56万颗卫星完全部署后，平均每张曝光图像会出现超过两条卫星轨迹，超过三分之一的图像将受到污染。

卫星轨迹的亮度取决于光照条件，受阳光直射的轨迹表面亮度很容易被天文相机检测到。即使仅靠地球反光照亮的轨迹，也仍高于多数探测器的灵敏度阈值。

有些卫星在发射之前已经考虑了这一问题，通常做法是给卫星涂一层吸光材料，但是效果有限。对敏感的天文相机而言，这些卫星仍然异常明亮，最新部署的一些卫星甚至比早期型号更亮。

研究团队提出了几种缓解策略：维护详细且频繁刷新的卫星轨道信息，让天文学家能预测卫星何时会穿过视场；将大型星座限制在太空望远镜轨道高度以下，因为低轨道卫星在地球阴影中停留时间更长；制定国际卫星亮度标准，将轨道精度从公里级提高到厘米级，以实现更好的规避策略。

随着多个下一代超重型运载火箭的问世，部署卫星的成本将大幅降低。如果没有协调一致的限制措施，近地空间环境将面临通信和科学探索的选择难题。我们的宇宙视野，正面临前所未有的挑战。

四台天文望远镜（左侧）以及它们面对的人造卫星（右侧一颗三角形代表10颗卫星）（图片来源：参考文献）

课代表总结：地球的近地空间，越来越拥挤了。

参考文献：

Borlaff, A.S., Marcum, P.M. & Howell, S.B. Satellite megaconstellations will threaten space-based astronomy. Nature 648, 51–57 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09759-5

从火山喷发到黑死病的连锁反应

十四世纪中叶，黑死病的瘟疫席卷欧洲，在短短十年间夺去了数千万人的生命，抹去了欧洲大陆超过一半的人口。这场人类历史上最致命的瘟疫，其爆发时机和传播路径一直是未解之谜。对这场瘟疫的传统研究多聚焦于鼠疫杆菌本身，但关于这种病原体为何恰好在1347年前后突然登陆欧洲，始终缺乏清晰解释。近日，一项发表于《通讯-地球与环境》的研究提出了一个全新的视角：一连串未被记录的火山喷发，可能通过改变气候和农业生产，间接引发了这场灾难。

新研究指出，在瘟疫暴发前的几年，一系列火山喷发将大量硫磺颗粒送入高空，这些颗粒阻挡阳光，导致欧洲部分地区降温，环地中海地区农作物连续歉收。

研究人员给出了很多证据。首先，树木年轮中隐藏了线索。树木在生长季节遇到异常低温时，形成的年轮会变薄。年轮学家发现，西班牙比利牛斯山脉的高海拔树木在1345和1346年夏季的年轮生长明显受阻，显示当时经历了持续两年的生长季低温。欧洲其他八处年轮记录也印证了这一发现：在黑死病抵达意大利前夕，欧洲正经历近一个世纪以来最严重的降温。

进一步证据来自格陵兰和南极冰芯。冰层中封存的大气硫含量在同期出现峰值，这通常是火山喷发后硫化物扩散全球的标志。

另外，多地的史书都记录了1345至1347年间异常多云的天气，从日本、中国到法国都有。意大利及其周边地区在1345和1346年夏季连续歉收，导致粮价飙升至八十年来的最高点。

面对危机，威尼斯和热那亚等依赖粮食进口的意大利城市做出了关键决定。迫于粮荒压力，它们在1347年与蒙古人议和，重新开放黑海贸易。几个月内，满载粮食的船只从今天的克里米亚和乌克兰地区驶向意大利。

然而，这些船只运来的不仅是粮食。鼠疫杆菌早已在黑海地区蔓延数年，可能通过粮食中生长的跳蚤藏身货舱。当粮食在意大利分发时，带菌跳蚤跳至本地老鼠和人类身上，瘟疫就此暴发。这解释了为何黑死病首先出现在依赖进口粮食的威尼斯和热那亚，而在粮食自给率较高的罗马和米兰等地出现较晚。

这项研究揭示了自然灾害、农业崩溃、贸易网络和病原体传播之间复杂的相互作用。正如研究参与者、历史学家马丁·鲍赫所指出的，这是一场由火山触发、经粮食贸易扩大的致命连锁反应，也是全球化早期影响的一次深刻体现。

蒙古军队带来的鼠疫通过海洋航线传播到了意大利 （图片来源：作者自制）

课代表总结：自然灾害带来的连锁反应，往往会远超我们的想象。

参考文献：

doi: 10.1126/science.zhze88i

牧心，科普作者。