洞穴蠕虫可能掌握着改善生活的秘密

科罗拉多州斯廷博特斯普林斯的硫磺洞内空气中充满有毒的硫化氢和致命的二氧化碳。洞穴被三块木板围起来，很少有游客来访。 《斯廷博特斯普林斯》旧版详细介绍了几次早期的探险活动，比如 20 世纪 30 年代戴着防毒面具的洞穴探险者只能在四分钟内进入洞穴。或者 20 世纪 60 年代一位带着氧气供应的洞穴学家抽搐着将自己推向入口，不得不被拖到新鲜空气中。

但戴维·斯坦曼并不害怕。“最致命的气体其实是从苏打水中冒出来的，”他笑着说道。斯坦曼是丹佛自然科学博物馆动物学部门的环境顾问和研究员，也是一名志愿消防员，对恶劣的环境十分熟悉。

穿上地下探险必备的防护装备，感觉就像戴上呼吸器扑灭火焰一样。那是 2007 年，美国国家洞穴学会科罗拉多州的一个小组组织了一次对这个洞穴的探险，招募了 10 名专家来研究这个奇怪空间的地质、生物、历史和水化学。斯坦曼在那里嗅探新物种。这是他的工作。他发现了 100 多种以前未发现的生物。14 年前的那天，硫磺洞即将发现另一种生物。

斯坦曼回忆说，其他科学家先放了他，然后他们才爬上东西或以其他方式打扰任何东西。他穿戴好装备，钻进了入口——入口大约有一个热水浴缸那么大，与地面齐平。入口处泥泞、潮湿、滑溜、恶心，最终潜入地下 25 英尺，长约 180 英尺。这是他最喜欢的地方。他知道，令人不快的地方正是新奇生物为自己创造美好生活的地方。

斯坦曼继续说着，他发现天花板上悬挂着微生物群落，它们滴着粘液状的酸液，这些酸液可以烧穿衬衫，并让皮肤出现他开玩笑所说的“轻微晒伤”。这些微生物被称为鼻涕虫（洞穴探险者很有幽默感），它们在对我们有毒的硫化合物中生存。

当斯坦曼偷偷潜入更深的地方时，他很快就看到一股泉水汇聚成几个水池，每个水池大约 5 英尺宽，含有比海底火山口更有毒的硫化氢。水池里有蠕虫。成千上万个微小的红色蠕动管，数百个聚集在一起。它们长一两英寸，宽度只有铅笔石墨那么宽，总的来说，它们几乎像海葵，或者过度上浆的天使发丝面。“我这辈子从来没有见过这样的东西，”他说。“这是一个非常不寻常的环境。我只是觉得，这一定是新的东西。”

斯坦曼是对的：经过多年的分析，他和一组研究人员宣布，这些血色的生物（现在被称为硫磺水丝蚓）是一个全新的物种，迄今为止仅在这个洞穴和附近的一个温泉中发现。

但这些蠕虫不仅仅是新物种，它们可能还有实用价值。L . sulphurensis属于一种名为“极端微生物”的生物，极端微生物指的是在人类通常无法生存的遥远边缘地区繁衍生息的生物。有些蠕虫喜欢盐，有些则喜欢寒冷，还有更多的蠕虫喜欢放射性、金属性、酸性、高温、干燥和黑暗。事实证明，它们经常会产生化学物质，人类可以利用这些化学物质让我们相对温和的生活变得更加舒适。

极端微生物默默进化的成果如今已应用于从洗涤剂到药物等各个领域。但外来蠕虫似乎是抗生素的有希望的来源，甚至可能对抗耐药性病原体。这些微生物与它们需要和需要对抗的细菌群落共存，它们可能已经发展出生化应对机制，这些机制可能会出现在你在药店购买的药丸中。

要了解极端微生物如何帮助现代社会，需要有人发现它们，研究它们的潜在用途，然后在工业环境中重现它们的自然习性。这些都不是小任务，也不是可以在短时间内完成的任务，这就是为什么在发现硫磺洞 14 年后，人们仍在继续研究L. sulphurensis是否有用或如何有用。这个过程的第一步往往是湿滑、臭气熏天、脏乱不堪的——进入地球上人类最不适合去的地方。在这些地方，生物创新潜伏着，像千百年来一样生存着。“还有很多东西有待发现，”Steinmann 说，“还有很多未知的东西。”

在硫磺洞，斯坦曼弯腰舀起蚯蚓样本，将它们从它们可怕的栖息地中挖出。其他人收集了该洞室的微生物学数据，即细菌汤——正是这种混合物让这些生物不得不发展出防御能力才能在其中生存。附近，一位经验丰富的深洞探险家和测绘员进入了一个裂缝，回来时两手空空，满脸通红，浑身沾满黏液，几乎喘不过气来。

如今，来自极端微生物的化学物质被用于无乳糖牛奶、杀虫剂、洗衣皂、颜料和生物燃料。但数千年来，人们一直向它们寻求帮助。约翰霍普金斯大学生物技术教育中心主任詹姆斯·科克尔说：“圣经中确实提到过嗜盐菌”，他指的是喜盐生物。当然，旧约抄写员并没有提到嗜盐菌的名字。细菌这个词当时还没有在任何语言中出现过。但科克尔说，我们可以窥视一下关于盐开采的讨论：很久以前，当晶体变红时，人类就知道是开采的时候了——这种变化是由微生物引起的，微生物的色素可以保护晶体免受阳光照射。一些嗜盐菌可以在比海洋含盐量高 10 倍的水中快乐地生活；其他嗜盐菌则占据着类似的额外生态位，比如核反应堆的冷却池。科克尔说：“当然，对它们来说，这不是极端的，而是它们生活的地方。这就像问我们‘你怎么能在 75 度的高温下生活？’”

那些出去寻找这种野兽的人有时被称为生物勘探者。他们走遍全球寻找生活在极端环境中的生物。“他们在泥土中挖掘，在南极洲采集冰样本，进入澳大利亚和黄石的奇怪湖泊，收集东西，然后回到实验室，试图弄清楚它是否是新的，”科克说。

斯坦曼从硫磺洞出来后，联系了美国地质调查局的一位蠕虫专家，后者召集了一个国际团队来识别和描述这种无眼深红色面条。这些团队来自科罗拉多州博尔德市和德国罗斯托克市的六所大学，包括生物学家、动物学家、分子生理学家、地质学家和蠕虫专家。斯坦曼和科罗拉多州的团队又三次回到了源头，收集了更多样本并进行了环境研究。

2009 年的一次探险之后，斯坦曼将保存在乙醇中的蠕虫包装起来，并将它们送往欧洲进行 DNA 分析。他还将一批活体样本装在充满洞穴水和藻类的充气容器中。它们适应了这种生活。“与那个疯狂的洞穴相比，在这种有氧气和食物的水族馆里生活很轻松，”他说。

斯坦曼坐在科罗拉多州的美食广场里，周围都是容易获取的卡路里，他解释说，在那些黑暗寒冷的空间里，营养物质很难获得。在他西边山上的洞穴里，大多数生物都从大型动物（丛林鼠、土拨鼠、徒步旅行者）的粪便中获取能量，或者从偶尔从入口掉下来的腐烂原木中获取能量。然而，这些废物可以厚厚地粘在地上，像岩层一样被锁在时间和空间中。

斯坦曼并不总是对洞穴中的极端生物感兴趣。20 世纪 90 年代，他开始对这种探险产生兴趣。当时，一场洞穴学大会在科罗拉多州举行，洞穴生物学家戴维·哈伯德也参加了大会，他曾在该州各地潜入地下。斯坦曼说：“一周内，他就发现了 10 个新物种。”

当时，他是一名溪流生物学家，收集和分析无脊椎动物和水生昆虫。他经营着一家名为“专业湿地咨询”的公司，为美国森林服务局、高尔夫球场、滑雪胜地、住宅开发和学校系统做过项目，所有这些项目都需要湿地边界图、环境分析和物种清单，以了解建设或扩张对水区的影响。在地下攀爬和滑行只是他偶尔的爱好，他从高中开始就涉足其中。但就像一场落石，一个想法突然降临到他头上：他可以把工作和娱乐结合起来。“我刚开始寻找生命，”他回忆道。现在，作为丹佛自然科学博物馆的研究员，斯坦曼在科罗拉多州地下发现了数十种以前未知的生物。他是新事物发现方面的专家，但他把对潜在应用的深入实验室调查留给了其他人。他更像是一个生物窥探者，而不是生物勘探者。

在大西洋彼岸，瑞典哥德堡大学的研究员 Christer Erséus 负责对L. sulphurensis蠕虫进行基因分析。该团队研究了这种生物的血管网络，这种网络很容易吸收稀薄的氧气。它们的生命体液具有很强的氧结合能力。“我总是开玩笑说，某些运动员会喜欢蠕虫血，”Steinmann 说。但这些蠕虫又细又长，让抽血变得很棘手。

一个月后，DNA检测结果出来了。这些蠕虫与人们以前从未见过的完全不同。但即使有了这种基因上的确定性，收集足够的信息来宣布和描述一个新物种也是一种考验。这个团队——他们所有人都在从事其他项目——花了九年时间才确定了该物种的分类位置，并在《动物分类学》和《水生生物学》上发表了论文，详细介绍了它的存在、解剖学特征和家园：斯廷博特斯普林斯最不愉快的地方。

2016 年论文发表后不久，斯坦曼联系上了一位名叫奥雷莉·塔西姆斯基 (Aurélie Tasiemski) 的法国研究员，后者专门研究极端蠕虫的抗生素潜力。

L. sulphurensis与 Tasiemski 通常研究的生物不同。她是法国北部里尔巴斯德研究所里尔感染与免疫中心的生物学家和副教授，她专注于研究较小的生物，通常来自海洋环境。但这种美国品种因其硫磺家园而吸引了她的注意。“根据我的经验，栖息在这种极端栖息地的蠕虫是新型抗生素的有趣来源，”Tasiemski 说，她是第一位研究外来蠕虫抗菌潜力的科学家，于 2004 年发表了她的第一篇关于普通水蛭抗生素能力的论文，并于 2014 年发表了她的第一篇关于奇怪海虫的文章。

斯坦曼提议给她寄一些硫磺洞穴蠕虫，以便她进行研究，或许还可以从中提取抗菌肽——一种由氨基酸组成的化合物，可以杀死细菌。但这样做需要新鲜的活体样本，而收集这些样本需要计划另一次探险，获得斯廷博特斯普林斯的许可，召集一支队伍，采取预防措施让蠕虫在硫磺洞穴中活下来，然后成功将蠕虫运往欧洲。由于斯坦曼的全职工作和其他洞穴探险活动，以及疫情并发症，新的收获需要一段时间。但他计划在 2022 年将蠕虫送往大西洋彼岸。

一旦蠕虫到达，塔西姆斯基就会知道该怎么做。她从职业生涯早期就开始研究不寻常的蠕虫，从 2000 年左右的水蛭开始，然后在 2010 年代转向海洋热液喷口的蠕虫。“我对非典型生物的生物学非常感兴趣，”她说。“我认为这是因为每个人都不关心它们。”她喜欢水下的弱者，她想了解蠕虫如何适应在她所说的“如此疯狂的物理环境中”生活。

答案是，它们可以与帮助它们的细菌共存——就像我们的微生物群帮助我们一样——并且消灭阻碍它们的细菌。它们具有特异性免疫力，能够产生只针对坏人的肽。她在庞贝蠕虫（Alvinella pompejana）中发现了这种化合物（人类也拥有这种化合物），可以作为对付特别棘手的病原体的抗生素。在 2010 年和 2012 年两次在东太平洋海隆（板块边界）进行采集巡航后，她花了三个月的时间才找到并纯化了它们的肽。她立即为这两个想法申请了专利。

塔西姆斯基和她的同事（包括前研究生雷纳托·布鲁诺）多年来一直在海洋中寻找更多样本。“问题是，对于 1,000 条蠕虫，你必须花费数周时间进行采样，”布鲁诺说。获得这些动物后，他们必须立即在船上冷冻它们，并保持低温直到它们返回实验室。（有时其他生物勘探者会将活体生物带回实验室，在那里促进它们的生长和繁殖，并实时观察它们产生的化合物。）

塔西姆斯基的团队将蠕虫从海沙中挑出来，海沙的大小与蠕虫并无二致。分开后，蠕虫需要被磨成糊状，塔西姆斯基模仿的动作类似于用研钵和研杵碾碎草药。

这种糊状物含有这种生物的所有营养成分，她的团队只想要抗菌肽。幸运的是，抗菌肽的尺寸很小。一种称为高效液相色谱仪的专用实验室设备通过筛选精确的分子来分析每种成分。研究人员将样品与液体溶剂混合，机器将液体溶剂泵入固体材料。固体以不同的方式捕获不同大小和成分的颗粒，像高科技筛子一样将它们分离。

分离出的纯肽被放入装有细菌的培养皿中。一两天后，如果化合物起作用，培养皿外圈会呈现细菌状，中间会呈现空白圆盘状，防御系统会在那里消灭细菌。

Tasiemski 的实验室分析了有前景的肽的结构和杀菌特性。这让他们能够识别出有助于它们在盐、酸、热、冷或高压条件下保持抗生素效果的分子组成。“我们发现分子结构与蠕虫所处环境之间存在相关性，”Bruno 说。某些结构进化为在特定条件下发挥作用 - 所有这些适应性都可能被人类利用来提高耐力。抗菌肽似乎对所谓的 ESKAPE 病原体特别有效，这六种超强毒性细菌也对抗生素有耐药性。

自 20 世纪 80 年代初以来，科学家就已经发现了自然界的抗菌肽及其在人体免疫中的应用，迄今已发现 3000 多种抗菌肽。不过，这些化合物中只有几十种来自蠕虫。

蠕虫的生化适应性之所以有希望，部分原因是它们生活在从未接触过伤害人类的细菌的地方。因此，它们的特性对于让我们生病的细菌来说是新奇的。“细菌不知道如何逃脱，”塔西姆斯基说。此外，蠕虫的肽通常由它们的皮肤产生，可以承受外部环境的极端温度，这意味着它们不需要像许多此类药用成分那样进行超低温处理。“你可以把它们放在桌子上，”她说。这也意味着未来的抗生素不会像一些药物那样受到发烧人体温度的损害。

一旦她的实验室分离并鉴定了这些肽，塔西姆斯基就不必再通过饲养线虫来获取更多的化学物质。它们可以直接合成。

如今，塔西姆斯基正在小鼠身上测试她的专利肽，这将耗时约两年。如果它们在啮齿动物世界表现良好，试验最终将转向人类。这项直接面向患者的工作将落到其他人身上，如果成功，则需要与制药商合作，进行测试和大规模生产。“目前，我们不需要与大公司合作，”她说。“但我们需要这样做。”

Tasiemski 希望对嗜硫的斯廷博特斯普林斯蠕虫的研究也能取得同样的成果。但她更喜欢发现的刺激，而不是找到应用。“哇，我是第一个看到这些的人，”她回忆起自己的发现，比如太平洋上新的热液喷口。在水中漂浮，想到以前从未有人目睹过这些地方，真是奇怪。想到她能帮助我们了解那里的生物生存，真是奇怪。

迄今为止， FDA 仅批准了 3,000 多种已知抗菌肽中的 7 种用于药物，例如非处方药膏 Neosporin。所有这些肽要么来自非极端细菌，要么来自其他此类肽的衍生物，从发现到批准，开发时间约为 15 年或更长时间。尽管科学家已经研究过其他肽，但这些研究在临床试验之前就停滞了。有时这些肽在实验室中的效果不如在自然环境中那么有效。有时它们对人体生物化学有毒性。有时它们不稳定。

进入临床阶段本身就代表着一个障碍：像塔西姆斯基这样的研究人员需要将任务交给与制药巨头或小型制药公司有联系的研究人员。像斯坦曼这样的探险家、像塔西姆斯基这样的学者以及能够将他们的工作带给更广泛受众的工业家占据着不同的领域。即使这一切真的发生，也需要很长时间。但就嗜极动物的进化规模而言，人们认为这只是环节动物眨眼之间的瞬间。

但约翰霍普金斯大学的科克坚持认为，极端微生物资本主义运动将会联合起来。“这一定会发生，”他说。在火山口和洞穴中隐藏着太多的潜力，有太多的钱可以赚，以至于大自然的秘密不能一直被掩盖。科克的思考甚至更加深入，他思考着当人类前往火星并在一个与地球一样寒冷干燥的地方寻找生命时，事情会变成什么样子。

然而，斯坦曼仍然坚定地扎根于这个星球——也深入其中——他希望找到更多为自己开辟生态洞穴的生物。“在我们美国的后院，很多东西都是未知的，”他凝视着美食广场说道。“我在木堆里发现了新物种。”

发现这些惊喜只需要弄脏自己，仔细观察，就会发现世界并不像看上去那么一成不变，水坑和裂缝中都有潜在的气泡：生命生活在自己理想的条件下，它的艰辛也许能帮助我们。“我们可以窃取它们所有的秘密，”斯坦曼说。

这个故事最初刊登在 PopSci 2022 年春季 Messy 期刊上。阅读更多 PopSci+ 故事。