中國科學家給“地表最強”水熊“紋身”，還能操控它“跳舞”

水熊蟲又稱緩步動物，是這顆星球上最頑強的微觀生命。

它們身長約0.5毫米，大部分不超過1毫米，通體透明，進食后可呈黃色、棕色、深紅色或綠色。它們身體短小豐滿，有1個頭部，4對腿從軀部伸出，末端有爪子、吸盤或腳趾。

但別被這憨態(tài)可掬的外表所迷惑，它們是自然界當之無愧的“極限生存大師”。

水熊蟲的兩種狀態(tài)，左為正?；顒訝顟B(tài)，右為“脫水”狀態(tài)。

水熊蟲的生存場所遍及地球各個角落：從深海熱泉到雪山之巔，從熱帶雨林到干旱沙漠。為了適應極端環(huán)境，它們演化出了一套堪稱“作弊”的生存技能。當環(huán)境惡化時，水熊蟲會主動脫水，收縮成一顆“干癟小球”，進入隱生狀態(tài)。此時它們的新陳代謝幾乎停止，卻能抵抗-272℃的極端冷凍、151℃的高溫炙烤，甚至承受比人類致死劑量高千倍的輻射。更驚人的是，它們曾在太空實驗中被直接暴露于宇宙真空和太陽輻射下，十天后依然有部分個體復活。

（圖片來源：美國國立自然歷史博物館）

科學家推測，這種“不死之身”的奧秘可能源于其體內特殊的保護蛋白。水熊蟲體內的特異性蛋白質能像海綿一樣包裹住細胞結構，防止脫水損傷；同時Dsup蛋白還能保護水熊蟲的DNA，使其免受輻射損傷，增強對紫外線的抵抗力。正因如此，水熊蟲成為了研究抗逆性機制的“活體教科書”，甚至被戲稱為“外星生物預備役”。畢竟，如果連地球極端環(huán)境都無法殺死它們，誰又能斷言它們不能在外星球存活？

冰刻術

水熊蟲的“紋身”

微細加工技術是構建微小物體的技術，包括微觀和納米級的物體與圖案，在電子學、光子學、生物醫(yī)學等領域具有重要應用。

因生物組織十分脆弱且易受損傷，傳統(tǒng)微細加工技術（如電子束光刻）通常涉及有毒溶劑或強輻射，難以直接應用于活體生物。為突破這一瓶頸，西湖大學的科學家們創(chuàng)新性地開發(fā)并應用冰刻技術，成功在水熊蟲體表“紋”上了納米尺度的圖案。

冰刻技術示意圖

科學家們首先使水熊蟲在碳納米復合基底上脫水，進入代謝幾乎停滯的隱生狀態(tài)。該基底材料兼具多孔結構與高導電性，既為水熊蟲提供進入隱生狀態(tài)的理想環(huán)境，又能緩解后續(xù)電子束加工過程中的電荷積累。

隨后，在處于隱生狀態(tài)的水熊蟲體表覆蓋一層特殊的納米冰膜。經過電子束曝光，使特定區(qū)域的冰膜轉化為常溫下穩(wěn)定存在的固體圖案。最后將水熊蟲轉移至適宜環(huán)境中復蘇后，它便可以攜帶這些圖案“紋身”自由活動。

冰刻技術下的水熊蟲

該研究首次證明微細加工技術可以在活體生物的體表制備微納米圖案。即使在拉伸、浸泡、沖洗和干燥等外部作用下，這些圖案仍然保持優(yōu)異的黏附性，展現出卓越的穩(wěn)定性與實用潛力。研究成果為微生物傳感、仿生器件和活體微型機器人等領域提供了新的技術路徑。

附著金屬條紋圖案的水熊蟲

同時，在該團隊的另一項研究中，科學家們開創(chuàng)性地采用半導體薄膜沉積技術，成功為水熊蟲打造微米級“金屬紋身”。通過磁控濺射或電子束蒸發(fā)技術，研究人員在隱生狀態(tài)的水熊蟲體表精準沉積金屬薄膜。

當水熊蟲復蘇時，其體表運動使金屬薄膜自然撕裂，形成獨特條紋圖案。不同金屬修飾可賦予水熊蟲特異功能特性，例如經磁性金屬修飾的水熊蟲具備磁場響應能力，研究人員能通過外部磁場調控其旋轉、滾動及平移運動。

從紋身到醫(yī)療革命

微觀協(xié)作的曙光

這兩項研究開創(chuàng)了針對活體生物（特別是緩步動物）的微納加工新領域，不僅為極端環(huán)境生物的適應性研究提供了全新工具，更展現了微納制造技術與生物科學深度交叉融合的巨大潛力。

電影《阿凡達（Avatar）》劇照

趙鼎研究員表示，目前研究只是非常初期的起步階段，現在僅僅做到了能“活”，距離真正能“用”還有非常大的距離。

在后續(xù)研究中，將進一步探索微型活體機器人的開發(fā)，重點研究緩步動物、耐輻射微生物等抗逆生物的特性，并在微納加工過程中引入活體保護措施，有效降低微納制造環(huán)境對生物活性的不利影響，以提升該技術的可擴展性。

未來，通過更先進的微納加工方法，科學家們有望在生物體表面特定區(qū)域構筑更加精細的圖案，從納米級的導電線路到仿生傳感器陣列，甚至可編程的藥物釋放模塊。

這些結構不僅像“生命電路”般附著于生物體，還能通過光、電、熱等多物理場的協(xié)同調控，實現對細胞活動、代謝路徑乃至運動行為的精準干預。 就像《阿凡達》中納美人與潘多拉星球的神經連接一樣，人類將學會用納米級的 “筆觸”，在生命的畫布上繪制出既能感知世界，又能自我修復的 “活體科技”。

參考資料：

https://www.westlake.edu.cn/news_events/westlakenews/labshow/202012/t20201203_7465.shtml

https://qiu.lab.westlake.edu.cn/info/1022/1766.htm

https://www.discovermagazine.com/the-sciences/tardigrade-tattoos-could-pave-the-way-for-microscopic-medical-devices

https://gizmodo.com/researchers-tattooed-tardigrades-they-promise-it-will-be-useful-2000593853

https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/scientists-tattoo-micro-patterns-on-tardigrades-398818

https://frontlinegenomics.com/everything-you-need-and-want-to-know-about-tardigrades/

https://resilience.si.edu/story/tardigrade-zoo-biology-breakthroughs

https://en.wikipedia.org/wiki/Tardigrade#From_science_to_popular_culture

編譯：楊雨鑫

策劃：劉穎 張超 李培元 楊柳

審核專家：趙鼎 西湖大學光電研究院研究員