在比砒霜还毒10倍的环境中，为何这种生物活得有滋有味？

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（来源：中国科普博览）

在太平洋海底2000米深处，滚烫的热液从海底喷涌而出，温度高达400摄氏度，周围充满了足以毒死大多数生物的硫化氢和重金属。然而，就在这个被科学家称为“地球上最极端的化学地狱”的地方，一种鲜黄色的蠕虫——赫斯帕拉尔文氏蠕虫（Paralvinella hessleri）却活得有滋有味。不禁让人想问：它们凭什么可以在这样的环境中生存下来？

靠近热液喷口的赫斯帕拉尔文氏蠕虫近景图

（图片来源：参考文献[1]）

赫斯帕拉尔文氏蠕虫

（图片来源：参考文献[1]）

2025年8月，中国科学院海洋研究所的研究团队在《PLOS生物学》（PLOS Biology）上发表了一项惊人发现：赫斯帕拉尔文氏蠕虫通过一种前所未有的“以毒攻毒”机制，将两种致命毒素——砷和硫化氢——结合成无毒的雌黄矿物，实现了生物界首个已知的解毒性生物矿化。

可能有人会问：雌黄本身不也是一种有毒的含砷矿物吗？这是一个关键问题。我们可以这样理解：砒霜是能溶解在水里的“剧毒粉末”，能立刻被细胞吸收并造成伤害。而蠕虫合成的雌黄，是一块极难溶于水的“毒矿石”。只要毒性物质被牢牢锁在矿石晶体里，无法释放出来，它就无法发挥作用。

研究团队在日本冲绳海槽的JADE热液场（水深1328-1584米）采集了这种蠕虫。当他们测量蠕虫体内的砷含量时，结果令人瞠目结舌：浓度高达10189±2,231微克/克（鲜重）——相当于这种生物体重的1%都是砷！

A：蠕虫体内各种砷形态的百分比分布；B：体内可溶性与不可溶性砷的含量

（图片来源：参考文献[1]）

要知道，砷就是俗称的“砒霜”，是一种剧毒物质。更令人震惊的是，这些砷中有92.21%都是毒性最强的三价无机砷。这个浓度比已知的“砷超富集生物”还要高出10倍。试想，如果一个60公斤的人体内有这么高浓度的砷，其总含量相当于600克纯砒霜——如此剂量足以对数百名成年人造成致命威胁，远远超出了个体中毒的范畴。

那么，为什么这种蠕虫却没有被毒死？这得从它那身明亮的黄色说起。在深海的永恒黑暗中，大多数生物都是灰白色或深红色，蠕虫这身黄色便十分显眼。

一只纵向切片的赫斯帕拉尔文氏蠕虫标本

（图片来源：参考文献[1]）

通过显微镜观察，科学家发现蠕虫的上皮细胞中充满了直径0.77-1.29微米的黄色颗粒。这些颗粒不仅存在于体表，还分布在鳃、口触手和消化道中——所有与海水直接接触的部位。

赫斯帕拉尔文氏蠕虫中的球形黄色颗粒

（图片来源：参考文献[1]）

为了弄清楚这些遍布蠕虫全身的黄色颗粒究竟是何物，研究人员展开了深入分析。起初，他们推测这些球形黄色颗粒可能是共生微生物。然而，科学家们使用了扫描透射电子显微镜（STEM-EDX）观测后发现，这些颗粒的核心是由砷和硫组成的雌黄矿物晶体。

电镜扫描下的黄色颗粒

（图片来源：参考文献[1]）

雌黄是什么？这是一种明亮的黄色矿物，在古代曾被用作颜料。有趣的是，它出现在伦勃朗和塞尚等大师的画作中。但更重要的是，雌黄的毒性比其组成元素（砷和硫化氢）低约10倍。

这就像把两种剧毒调配在一起，反而“炼制”出了相对无害的物质——堪称自然界真正的“以毒攻毒”！

那么，蠕虫是如何完成这个“炼金术”的呢？研究团队通过蛋白质组学分析发现了关键线索。

首先要处理的是剧毒的砷。科学家发现，蠕虫细胞膜上遍布着一种名为多药耐药相关蛋白（Multidrug Resistance-associated Protein, MRP）的特殊蛋白质。MRP蛋白可以被理解为细胞的“智能水泵”。在人类医学中，它因能将化疗药物泵出癌细胞，导致癌症产生耐药性而闻名。但在这只蠕虫体内，这个系统被赋予了新功能：处理环境毒素。

当砷离子进入细胞质，即将造成破坏时，MRP蛋白会立刻识别并“抓住”它。随后，MRP蛋白会消耗能量，像一个单向旋转门，强行将这些砷离子泵入一个名为囊泡（Vesicle）的封闭隔间里。这个囊泡就像一个“细胞级的防爆垃圾桶”，确保剧毒的砷被安全隔离，无法伤害细胞的其他部分。

与此同时，另一种毒物——硫化氢，也正被悄无声息地处理。执行这项任务的是两种特化的细胞内血红蛋白（intracellular Hemoglobin, iHem-1和iHem-2）。

这两种血红蛋白的结构极为精巧。在它们的蛋白质链条的第25位，有一个关键的氨基酸——半胱氨酸残基（Cysteine residue）。形象地来说，蛋白质就像一条由不同珠子串成的项链，每个珠子是一种氨基酸。半胱氨酸这个“珠子”的特殊之处在于它带有一个硫原子，这个硫原子像一个“化学磁铁”，对硫化氢有着极强的亲和力。

当硫化氢分子扩散进细胞，它会立刻被iHem蛋白上第25位的“卡扣”精准地结合。随后，这个“快递员”便载着危险的“包裹”，将其安全无误地运送到囚禁着砷的同一个囊泡里。

至此，两种致命的毒物在“与世隔绝”的囊泡“反应仓”内相遇了。在这个由双层脂质膜包裹的封闭空间里，环境被细胞精确调控：这里是还原性的、低温的，且pH值接近中性。这些条件恰好是促进砷和硫化氢发生化学反应，形成稳定、不溶于水的雌黄晶体的最佳环境。于是，两种液态的、高活性、高毒性的物质，就此结合成了一种固态的、惰性的、相对无害的矿物。毒性被永久地“锁定”在了晶体结构中。

以毒攻毒的机制图

（图片来源：参考文献[1]）

为了证实“以毒攻毒”假说，研究团队分析了蠕虫体内硫的同位素组成。结果显示，赫斯帕拉尔文氏蠕虫的该同位素值为7.19±0.98‰，与热液喷口硫化氢的同位素特征（7.4-7.7‰）完全吻合。

这证明了蠕虫直接利用喷口的有毒硫化氢，而不是通过生物代谢获得的硫。相比之下，生活在喷口边缘的贻贝体内的硫主要来自海水。

这种“以毒攻毒”的策略代表了生物适应极端环境的一个全新范例。传统上，生物矿化主要用于结构强化（如贝壳、骨骼），而赫斯帕拉尔文氏蠕虫的雌黄矿化完全是为了解毒。

自然界的教科书：从“深海矿师”中寻找环境治理方案

除了赫斯勒偏顶蛤，深海热液喷口还生活着另一位“矿物大师”——鳞足螺（Chrysomallon squamiferum）。

鳞足螺

（图片来源：wikipedia）

如果说赫斯勒偏顶蛤是“炼金术士”，那鳞足螺就是“钢铁侠”。它生活在印度洋的深海热泉，那里的热液富含铁。鳞足螺巧妙地利用了环境中的铁和硫，为自己打造了一身独一無二的“钢铁盔甲”。它的螺壳分为三层：最外层是硫化铁构成的黑色甲片，中间是柔软的有机层，最内层是坚硬的钙质壳。这身盔甲坚固到足以抵御捕食性螺类的钻孔攻击。也就是说，鳞足螺的生物矿化，主要功能是“防御”，是向外的。

两种形态的鳞足螺

（图片来源：Rachel Caauwe）

正因如此，才显得赫斯勒偏顶蛤更加与众不同——它的生物矿化并非为了防御外敌，而是为了处理内部的致命毒素，功能是“解毒”，是向内的。一位将环境中的金属穿在身上，一位将环境中的剧毒藏于体内，两位“极端邻居”共同展现了生命利用矿物的智慧。

这项研究不仅扩展了我们对极端环境下生命可能性的认知边界，更为解决现实世界的环境挑战提供了生物学灵感。比如我们通过模拟这种天然解毒过程，可能开发出新型砷污染处理方法。

在面临全球环境挑战的今天，答案也许就藏在这些极端生物的生存策略中。大自然用亿万年的时间，已经为我们写好了教科书。而我们需要做的，是学会如何阅读并善用其中的智慧。

参考文献：

[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.