作者：蘇澄宇（科普創(chuàng)作者）
監(jiān)制：中國科普博覽
在太平洋海底2000米深處，滾燙的熱液從海底噴涌而出，溫度高達400攝氏度，周圍充滿了足以毒死大多數(shù)生物的硫化氫和重金屬。然而，就在這個被科學(xué)家稱為“地球上最極端的化學(xué)地獄”的地方，一種鮮黃色的蠕蟲——赫斯帕拉爾文氏蠕蟲（Paralvinella hessleri）卻活得有滋有味。不禁讓人想問：它們憑什么可以在這樣的環(huán)境中生存下來？
靠近熱液噴口的赫斯帕拉爾文氏蠕蟲近景圖
（圖片來源：參考文獻[1]）
赫斯帕拉爾文氏蠕蟲
（圖片來源：參考文獻[1]）
2025年8月，中國科學(xué)院海洋研究所的研究團隊在《PLOS生物學(xué)》（PLOS Biology）上發(fā)表了一項驚人發(fā)現(xiàn)：赫斯帕拉爾文氏蠕蟲通過一種前所未有的“以毒攻毒”機制，將兩種致命毒素——砷和硫化氫——結(jié)合成無毒的雌黃礦物，實現(xiàn)了生物界首個已知的解毒性生物礦化。
可能有人會問：雌黃本身不也是一種有毒的含砷礦物嗎？這是一個關(guān)鍵問題。我們可以這樣理解：砒霜是能溶解在水里的“劇毒粉末”，能立刻被細胞吸收并造成傷害。而蠕蟲合成的雌黃，是一塊極難溶于水的“毒礦石”。只要毒性物質(zhì)被牢牢鎖在礦石晶體里，無法釋放出來，它就無法發(fā)揮作用。
極端環(huán)境下的驚人適應(yīng)：蠕蟲用劇毒“煉制”出無害礦物
研究團隊在日本沖繩海槽的JADE熱液場（水深1328-1584米）采集了這種蠕蟲。當(dāng)他們測量蠕蟲體內(nèi)的砷含量時，結(jié)果令人瞠目結(jié)舌：濃度高達10189±2,231微克/克（鮮重）——相當(dāng)于這種生物體重的1%都是砷！
A：蠕蟲體內(nèi)各種砷形態(tài)的百分比分布；B：體內(nèi)可溶性與不可溶性砷的含量
（圖片來源：參考文獻[1]）
要知道，砷就是俗稱的“砒霜”，是一種劇毒物質(zhì)。更令人震驚的是，這些砷中有92.21%都是毒性最強的三價無機砷。這個濃度比已知的“砷超富集生物”還要高出10倍。試想，如果一個60公斤的人體內(nèi)有這么高濃度的砷，其總含量相當(dāng)于600克純砒霜——如此劑量足以對數(shù)百名成年人造成致命威脅，遠遠超出了個體中毒的范疇。
那么，為什么這種蠕蟲卻沒有被毒死？這得從它那身明亮的黃色說起。在深海的永恒黑暗中，大多數(shù)生物都是灰白色或深紅色，蠕蟲這身黃色便十分顯眼。
一只縱向切片的赫斯帕拉爾文氏蠕蟲標本
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通過顯微鏡觀察，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蠕蟲的上皮細胞中充滿了直徑0.77-1.29微米的黃色顆粒。這些顆粒不僅存在于體表，還分布在鰓、口觸手和消化道中——所有與海水直接接觸的部位。
赫斯帕拉爾文氏蠕蟲中的球形黃色顆粒
（圖片來源：參考文獻[1]）
為了弄清楚這些遍布蠕蟲全身的黃色顆粒究竟是何物，研究人員展開了深入分析。起初，他們推測這些球形黃色顆?？赡苁枪采⑸?。然而，科學(xué)家們使用了掃描透射電子顯微鏡（STEM-EDX）觀測后發(fā)現(xiàn)，這些顆粒的核心是由砷和硫組成的雌黃礦物晶體。
電鏡掃描下的黃色顆粒
（圖片來源：參考文獻[1]）
雌黃是什么？這是一種明亮的黃色礦物，在古代曾被用作顏料。有趣的是，它出現(xiàn)在倫勃朗和塞尚等大師的畫作中。但更重要的是，雌黃的毒性比其組成元素（砷和硫化氫）低約10倍。
這就像把兩種劇毒調(diào)配在一起，反而“煉制”出了相對無害的物質(zhì)——堪稱自然界真正的“以毒攻毒”！
“煉金術(shù)”如何達成？從劇毒到礦物的完美轉(zhuǎn)化
那么，蠕蟲是如何完成這個“煉金術(shù)”的呢？研究團隊通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵線索。
首先要處理的是劇毒的砷?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，蠕蟲細胞膜上遍布著一種名為多藥耐藥相關(guān)蛋白（Multidrug Resistance-associated Protein, MRP）的特殊蛋白質(zhì)。MRP蛋白可以被理解為細胞的“智能水泵”。在人類醫(yī)學(xué)中，它因能將化療藥物泵出癌細胞，導(dǎo)致癌癥產(chǎn)生耐藥性而聞名。但在這只蠕蟲體內(nèi)，這個系統(tǒng)被賦予了新功能：處理環(huán)境毒素。
當(dāng)砷離子進入細胞質(zhì)，即將造成破壞時，MRP蛋白會立刻識別并“抓住”它。隨后，MRP蛋白會消耗能量，像一個單向旋轉(zhuǎn)門，強行將這些砷離子泵入一個名為囊泡（Vesicle）的封閉隔間里。這個囊泡就像一個“細胞級的防爆垃圾桶”，確保劇毒的砷被安全隔離，無法傷害細胞的其他部分。
與此同時，另一種毒物——硫化氫，也正被悄無聲息地處理。執(zhí)行這項任務(wù)的是兩種特化的細胞內(nèi)血紅蛋白（intracellular Hemoglobin, iHem-1和iHem-2）。
這兩種血紅蛋白的結(jié)構(gòu)極為精巧。在它們的蛋白質(zhì)鏈條的第25位，有一個關(guān)鍵的氨基酸——半胱氨酸殘基（Cysteine residue）。形象地來說，蛋白質(zhì)就像一條由不同珠子串成的項鏈，每個珠子是一種氨基酸。半胱氨酸這個“珠子”的特殊之處在于它帶有一個硫原子，這個硫原子像一個“化學(xué)磁鐵”，對硫化氫有著極強的親和力。
當(dāng)硫化氫分子擴散進細胞，它會立刻被iHem蛋白上第25位的“卡扣”精準地結(jié)合。隨后，這個“快遞員”便載著危險的“包裹”，將其安全無誤地運送到囚禁著砷的同一個囊泡里。
至此，兩種致命的毒物在“與世隔絕”的囊泡“反應(yīng)倉”內(nèi)相遇了。在這個由雙層脂質(zhì)膜包裹的封閉空間里，環(huán)境被細胞精確調(diào)控：這里是還原性的、低溫的，且pH值接近中性。這些條件恰好是促進砷和硫化氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定、不溶于水的雌黃晶體的最佳環(huán)境。于是，兩種液態(tài)的、高活性、高毒性的物質(zhì)，就此結(jié)合成了一種固態(tài)的、惰性的、相對無害的礦物。毒性被永久地“鎖定”在了晶體結(jié)構(gòu)中。
以毒攻毒的機制圖
（圖片來源：參考文獻[1]）
為了證實“以毒攻毒”假說，研究團隊分析了蠕蟲體內(nèi)硫的同位素組成。結(jié)果顯示，赫斯帕拉爾文氏蠕蟲的該同位素值為7.19±0.98‰，與熱液噴口硫化氫的同位素特征（7.4-7.7‰）完全吻合。
這證明了蠕蟲直接利用噴口的有毒硫化氫，而不是通過生物代謝獲得的硫。相比之下，生活在噴口邊緣的貽貝體內(nèi)的硫主要來自海水。
這種“以毒攻毒”的策略代表了生物適應(yīng)極端環(huán)境的一個全新范例。傳統(tǒng)上，生物礦化主要用于結(jié)構(gòu)強化（如貝殼、骨骼），而赫斯帕拉爾文氏蠕蟲的雌黃礦化完全是為了解毒。
自然界的教科書：從“深海礦師”中尋找環(huán)境治理方案
除了赫斯勒偏頂蛤，深海熱液噴口還生活著另一位“礦物大師”——鱗足螺（Chrysomallon squamiferum）。
鱗足螺
（圖片來源：wikipedia）
如果說赫斯勒偏頂蛤是“煉金術(shù)士”，那鱗足螺就是“鋼鐵俠”。它生活在印度洋的深海熱泉，那里的熱液富含鐵。鱗足螺巧妙地利用了環(huán)境中的鐵和硫，為自己打造了一身獨一無二的“鋼鐵盔甲”。它的螺殼分為三層：最外層是硫化鐵構(gòu)成的黑色甲片，中間是柔軟的有機層，最內(nèi)層是堅硬的鈣質(zhì)殼。這身盔甲堅固到足以抵御捕食性螺類的鉆孔攻擊。也就是說，鱗足螺的生物礦化，主要功能是“防御”，是向外的。
兩種形態(tài)的鱗足螺
（圖片來源：Rachel Caauwe）
正因如此，才顯得赫斯勒偏頂蛤更加與眾不同——它的生物礦化并非為了防御外敵，而是為了處理內(nèi)部的致命毒素，功能是“解毒”，是向內(nèi)的。一位將環(huán)境中的金屬穿在身上，一位將環(huán)境中的劇毒藏于體內(nèi)，兩位“極端鄰居”共同展現(xiàn)了生命利用礦物的智慧。
這項研究不僅擴展了我們對極端環(huán)境下生命可能性的認知邊界，更為解決現(xiàn)實世界的環(huán)境挑戰(zhàn)提供了生物學(xué)靈感。比如我們通過模擬這種天然解毒過程，可能開發(fā)出新型砷污染處理方法。
在面臨全球環(huán)境挑戰(zhàn)的今天，答案也許就藏在這些極端生物的生存策略中。大自然用億萬年的時間，已經(jīng)為我們寫好了教科書。而我們需要做的，是學(xué)會如何閱讀并善用其中的智慧。
參考文獻：
[1]Wang H, Cao L, Zhang H, et al. A deep-sea hydrothermal vent worm detoxifies arsenic and sulfur by intracellular biomineralization of orpiment. PLoS Biol. 2025;23(8):e3003291.
（責(zé)任編輯：梁艷）
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