整個世界都是我的裝備庫！來看看地表最強的水熊秘訣

身形嬌小的水熊號稱地表最強生物，能夠透過獨特的「隱生」能力在最極端的環境下存活。這種狀態有點類似冬眠，遇見不利生存的條件時將所有代謝活動停止。

近期，有一國際研究團隊宣稱這種生物還有另一種出乎意料的能耐：和超導量子位元進行量子糾纏。用生物體做量子糾纏可是前所未聞，讓大家都嚇壞了。不過這個實驗究竟做出了什麼結果，讓作者可以做出這種宣稱？科學家沒事又為什麼要去抓水熊來糾纏呢？

什麼是量子糾纏？

量子糾纏是量子力學獨有的一種描述，至於實際上到底是在「糾纏」什麼，可以參考先前這篇文章^[2]。

儘管名字聽起來很神祕，但量子糾纏並不只存在於科幻電影和內容農場，現今在實驗室中造出糾纏的粒子對早已是稀鬆平常的技術。量子計算和量子傳送等應用領域就是以糾纏作為基礎發展至今。

雖然這樣說，但利用糾纏粒子將物品或人類在星際間傳送的夢想可能還得再等等。因為目前能夠成功被「糾纏」的都是個別的金屬離子、奈米大小的粒子、和鑽石結晶這類易於控制，結構簡單的微小目標物。

相對於這些乾淨整齊的系統，生物體的結構可說是極為雜亂複雜，難以成為量子實驗的對象。

此外，為了減少物質本身熱能所帶來的振動影響，糾纏的實驗程序時常需要在接近絕對零度的低溫環境下進行。在這種溫度下不只生命無法延續，許多物質的特性也都已經改變。

因此，儘管實驗方面已經發展許久，要對活生生的生物進行量子糾纏仍是相當遙遠的目標。對量子力學來說，整個生物世界太亂又太熱，完全不會想靠近一步。正因如此，這篇拿水熊做實驗的文章才引起了大家的關注。

水熊和超導量子位元的糾纏

水熊一般只有幾百微米大，算是「巨觀」生物中相對微小的種類，要做量子實驗的話較好下手；更重要的是水熊能夠以隱生狀態度過嚴苛的實驗環境，爾後再重新恢復活力，如此一來要是成功便也算是對生物體進行量子糾纏了。

實驗團隊於是將一隻水熊放到了絕對溫標 0.01 度（也就是只比絕對零度高 0.01 度），同時接近真空的環境中，在此和兩個超導量子位元進行實驗。他們將水熊放入其中一個量子位元零件中，並觀察到位元的共振頻率產生改變。接著他們用常見的量子計算程序將兩個位元進行糾纏，並測試糾纏結果。

根據測試的結果，作者宣稱水熊和兩個量子位元形成了三個位元的組合態。也就是說，水熊在這裡變成了第三個等效的量子位元，和另外兩個超導位元糾纏在一起！實驗結束後，水熊周遭的溫度和壓力被緩慢恢復至適合生存的範圍，最後重新開始代謝活動。

作者宣布他們突破了以往的實驗限制，打開了通往量子生物學的大門，並以「水熊和超導量子位元的糾纏」為題，將文章的預印版放上了 arXiv 網站，引起科學界一片譁然。

等等，這其實不用量子力學也能解釋

雖然實驗相當有趣，媒體也爭相報導，但是許多物理學家認為這份研究的標題過為聳動，突破性恐怕也是過於誇大。

I said I was done with the “qubit entangled with a tardigrade” discussion (regarding an unpublished manuscript that appeared online recently). But now that misleading news pieces are coming out, I decided to spell it out at a non-technical level

1/nhttps://t.co/gjjhX6ss8g

— Ben Brubaker (@benbenbrubaker) December 18, 2021

超導量子位元其實跟一般電子零件一樣，裡面有電容、電感等等基本單元所組成的電路；而接近絕對零度的水熊，基本上能當成一小團冰塊。

實驗團隊將冰塊放到電容裡面，會改變它的共振頻率等特性其實不足為奇。如果電容裡面掉進了一些灰塵，其電路性質也會受到類似的影響。

不論零件中放入冰塊，灰塵，還是螞蟻，這些影響都是「傳統」的電磁學可以描述的，並非量子現象。

也就是說，作者宣稱的「整隻水熊做為一個量子位元進入了量子糾纏態」這個解讀不只言過其實，甚至有誤導之嫌。這篇文章目前還未投稿至期刊，因此沒有經歷同行科學家的審查，還不算是夠格的科學實驗結果。

關於這份研究有哪些方面需要改進，目前仍是備受爭辯的有趣問題。不過有件事是大部分人都同意的，那就是這次實驗再度刷新了水熊生存能力的極限。或許將來某天，水熊的隱生能力真的能成為生物世界和量子物理之間的橋樑。不過就目前而言，好奇心滿點的物理學家得再更努力些。

編按：該如何驗證量子糾纏，可以參考〈驗證量子纏結的貝爾不等式 │ 科學史上的今天：06/28〉，此論文的主要問題是不能藉由實驗設計，來確認三者共振頻率改變是源自於量子糾纏。

參考資料

1. 看過「水熊蟲」走路嗎？——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似！
2. 照出黑洞不算什麼，科學家連量子纏結都能拍到！？
3. 水熊和超導量子位元的糾纏（原文）

我們都知道生命是非常頑強的，在一些極端環境如高熱強酸的火山溫泉、高壓強鹼的深海等，都能找到一些生物定居。不過如果想找極端的生存環境，不必到這麼危險的地方，你我身邊其實隨處都有，那就是「混凝土」之中。混凝土內部的環境對生物來說也是極端苛刻：強鹼、高鹽、乾旱、缺乏食物。而近期發表在 mSystems 上的研究顯示，即便是混凝土之中，也有生命存在^[1]。

混凝土的組成與缺陷

混凝土是由骨料 (礫石和沙子)、水泥、水和添加物依適當比例配置而成的複合材料。混凝土因有著硬度高、耐高壓、可塑性強、成本低廉、製作簡單、可適用於各種自然環境等特性，成為世界上使用最多最廣的建築材料，幾乎絕大部分的現代土木工程都會用到。

混凝土雖然是優秀的建材，但也並非沒有弱點。鹼-矽反應（alkali–silica reaction, ASR）就是一個會破壞混凝土結構的常見因素。ASR 會讓混凝土產生俗稱「混凝土癌」的狀態。而形成 ASR 的主要原因，就在混凝土中的水泥身上。

混凝土中最常使用的水泥為「波特蘭水泥」，即矽酸鹽水泥。當水泥和水混和後會發生一系列複雜的物理與化學反應，使其凝結與固化。而在這個過程中，會產生大量強鹼物質如氫氧化鈣，這就讓混凝土內部的 pH 值處在 12.5 左右。

正常的混凝土其內部結構相當緻密，基本沒有水分。但當混凝土受到撞擊、搖晃等外在衝擊而產生裂縫後，水就能滲入其中。而當水進入混凝土後，會使混凝土內部的強鹼和矽酸鹽類產生反應，形成水合矽酸鹽。這些水合矽酸鹽會在混凝土內部產生不均勻的膨脹，而當水合矽酸鹽的數量達到一定後，就會造成混凝土的破裂。

要避免 ASR 的一個方法，是在混凝土中加入飛灰（fly ash）。飛灰是火力發電廠在燃燒後所產生的廢棄物，其主要成分為 SiO₂、AI₂O₃ 和 CaO。飛灰會和水泥中的強鹼進行卜作嵐反應（pozzolanic reaction），該反應是透過 SiO₂ 和 AI₂O₃ 等物質與強鹼反應形成膠體。因此加入飛灰到混凝土中，不僅能降低 pH 值，產生的膠體也可用來填補孔隙並膠結骨材，以更好的填塞混凝土中的孔隙。

混凝土中的細菌種類

研究已知有多種細菌能生長在混凝土的表面，而當混凝土因 ASR 或其他因素產生裂縫後，細菌也能從表面進入到混凝土內部，而這就有可能會對混凝土產生進一步的影響。由於混凝土是世界上最常見的建材，為了確保建築物、橋梁和道路的結構安全，越來越多科學家開始關注生存在此的微生物群，與其可能對混凝土所造成的影響。

過往的研究已證實混凝土內部確實有細菌生長，但這些研究的主要對象是隨著裂縫從表面進入混凝土之中的細菌。而美國德拉瓦大學的研究團隊更進一步，研究「本來」就生活在混凝土內部的細菌^[1]。

為了進行研究，研究團隊製作了兩種混凝土樣本：一般混凝土和加入飛灰的混凝土，並將這兩種樣本放在屋頂上模擬自然風化的環境，然後每六週進行一次取樣分析，以了解混凝土內部的細菌組成。

他們最初的設想是，沒有加入飛灰的樣本會因 ASR 產生更多裂縫，這樣混凝土表面的細菌進入到內部的機會就更大，這就會讓兩種混凝土內部的細菌種類會隨著時間推移而有所不同。

在持續兩年的分析和追蹤後，研究團隊發現混凝土內部的細菌組成主要為變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和放線菌門（Actinobacteria）這三大類。雖然這三大類細菌是主要組成，不過隨著時間推移和季節的改變，混凝土內部的細菌組成也會有所不同。舉例來說，實驗初期的細菌種類明顯較多，但隨著時間的推移，細菌的多樣性會持續下降。不過這種多樣性的下降，會在溫暖多雨的夏季有短暫的反彈，只是一過了夏季，多樣性又會再次降低。

而上述的結果在兩種混凝土的樣本中並沒有明顯的差異。也就是說，不論混凝土的材質是否能抗 ASR，其內部的細菌組成和變化都差不多。

研究團隊認為，這些主要菌種很可能是隨著混凝土的主要原料 – 即骨料和水泥進到混凝土內部的，因此牠們才是最能適應混凝土內強鹼、高鹽、缺水和缺乏食物環境的優勢物種。雖然在高溫多雨的季節，混凝土的外的細菌能進到內部，但牠們終究無法很好地適應混凝土的環境。所以夏季結束後，這些外來的細菌不是進入休眠狀態，就是被內部的細菌當成食物給吃掉了。也因此在有無 ASR 的情況下，混凝土內部的細菌組成都不會有太大的改變。

為了驗證混凝土內部的細菌可能是來自組成原料，研究團隊先分析了混凝土原料中的細菌組成，並和實驗初期與末期的混凝土樣本中的細菌組成做比較。結果發現，礫石（骨料的一部份）提供了混凝土內 50~60% 的細菌來源。

另一個提供細菌的重要來源是水泥，雖然水泥提供的細菌種類不像礫石那麼多，但隨著時間的推移會逐漸增加為第二多，而這個結果在有無加入飛灰的樣本中，都是一樣的。這也證實了，混凝土原料中的骨料（礫石）和水泥，是提供混凝土內部細菌組成的主要來源。

混凝土與細菌的關係

那麼這個研究的結果，能提供我們甚麼樣的資訊呢？研究團隊認為，既然混凝土內部的細菌組成是不太變動的，可以將細菌組成當作混凝土內部環境的「指標」。例如當檢測到混凝土內部的細菌組成有改變時，就表示混凝土內部的環境很可能也改變了。要知道混凝土內部環境的改變，會影響到混凝土的整體結構和安全性。

但想做這個應用，首先要確認混凝土內部環境的改變，確實也會讓細菌組成改變。另外這個研究只在美國進行兩年的實驗，因此研究的結果是否能應用到全世界的混凝土，要打一個很大的問號。畢竟混凝土所處的環境不同，其內部的細菌組成是否也會有所不同，是需要實驗驗證的。

除了做為「檢測」混凝土結構安全的指標，其實很早以前就有其他科學家提出讓細菌作為「修復」混凝土工具的想法了。這個想法的原理其實很簡單，藉由加入能產生碳酸鈣等可以填補縫隙的細菌到混凝土中，就能達到生物修復了。不過這種應用方法比起「檢驗」需要更多的實驗，畢竟我們現在連這些細菌會對混凝土產生怎樣的影響都不知道，一個弄不好，說不定本以為是修補用的細菌，最後卻變成破壞者。

雖然這個研究並不能告訴我們這些生活在混凝土內部的細菌，會對混凝土造成何種影響，但卻是一個讓我們了解細菌與混凝土之間的起頭。另外這個研究也再次證明了，即便環境再惡劣，生命自然會找到自己的出路~

參考資料

1. Kiledal EA, Keffer JL, Maresca JA. Bacterial Communities in Concrete Reflect Its Composite Nature and Change with Weathering. mSystems. 2021 May 4;6(3):e01153-20
2. 混凝土
3. Alkali–silica reaction
4. 波特蘭水泥

「飛向宇宙，浩瀚無垠！」這是玩具總動員裡巴斯光年的經典台詞，當巴斯說著他在太空的種種光榮事蹟時，你是否幻想過自己到外太空生活的樣子呢？人類在外太空的是怎麼生存的呢？身體會不會被改變呢？

在國際太空站 （ISS） 工作的美國太空人史考特 （Scott Kelly） ，或許可以告訴你答案！

史考特擁有一個待在地球的雙胞胎兄弟馬克凱利（Mark Kelly），當他結束太空站一年多的任務，科學家比對了兩人的基因和身體狀況，發現史考特不但骨質密度降低了，連體內的DNA、端粒（Telomere）、腸道微生物相都變得很不一樣！

除此之外，史考特也表示他的雙腳痠痛不已，回到地球 3 個月後，仍然沒有完全恢復，嚴重時，甚至無法到公園散步。

這還只是在「太空站裡」生活的結果唷！如果史考特在太空站外面工作呢？會不會像《 JOJO 的奇妙冒險》中的卡茲一樣，當他被射到大氣層外後，被宇宙的環境溫度凍結身體，而化為礦石與生物之間的生命體，永遠在宇宙中徘徊呢？

畢竟對於地球生物而言，一旦少了太空站的保護，等於暴露在一個充滿紫外線輻射、真空、溫度波動範圍大的環境，到處都是生命威脅啊！

這項有趣的研究已經登上了頂尖期刊《Science》，讓我們開始深思，太空旅行可能沒有我們想像的那麼美好，同時帶給人體極大的負擔。想要到地球以外的地方生存？也許我們的身體需要更多的訓練或是改造。

此時，科學家也開始把地球的各種生物丟到外太空去，仔細觀察這些地球生物是否會產生奇～妙～的變化。

出發吧！地球生物的先鋒部隊！

2015年，科學家們將「抗輻射奇異球菌」放到了太空站外，一年過後，他們驚奇的發現，這種細菌不只活著，竟然還活跳跳的！

抗輻射奇異球菌（Deinococcus radiodurans）是一種對輻射有免疫力的地球細菌，可以在極端環境中生長、繁殖，承受人類致死劑量的 1500 倍輻射，與蟑螂無法抵抗的 15 倍輻射。

當時，有國際團隊在日本實驗太空艙 （The Japanese Experiment Module）^註1外進行 Tanpopo 任務，為了測試這些頑強的細菌，科學家將他們脫水後，送往國際太空站外的特殊平台^註2，讓抗輻射奇異球菌暴露在外太空的環境之中。

這個平台僅有非常非常微弱的保護措施：一扇可以阻擋波長低於 190 奈米紫外光的玻璃窗，透過這個玻璃窗，科學家模擬了行星保護 （planetary protection）（註3）的情況，就像讓細菌待在其他星球大氣層裡面一樣（例如火星大氣層，即會吸收波長低於190-200 奈米的紫外線輻射）。

回來之後，咦？你怎麼長得不太一樣！

經過一年的輻射、極冷又極熱的溫度變化以及無重力環境的摧殘後，科學家終於把這些可憐的細菌樣本從低地球軌道 （Low Earth orbit, LEO）^註4 接回地球，和在地球上生活了一年的同種細菌樣本（也就是對照組）作比較。

科學家指出，與對照組相比，雖然從 LEO 回來的細菌樣本存活率低了許多，但存活下來的似乎都「還不錯」。

此外研究者也發現，回到地球後開始恢復的細菌們，表面覆蓋著一些囊泡（vesicles） ，而且某些蛋白質和 mRNA 變多了，尤其是那些負責調節及運輸功能的蛋白質和 mRNA ，更明顯！

雖然研究團隊還不確定這些囊泡是怎麼來的，但他們認為這也許就是細菌在太空環境存活下來的關鍵。

研究者在論文裡表示，囊泡化可以視為細菌面對生存壓力的一種反應，引發多種修復細胞的機制，將造成壓力的物質移走，以增強生存能力。

除此之外，外膜的囊泡也可能包含一些蛋白質，它們對營養獲取、毒素運輸等很重要，也能夠活化暴露在太空後的抗性機制，幫助修復損傷的 DNA。

在地球外生存，或許不再是「腦洞大開」

研究結果表示，當細菌暴露在太空環境時，可能會誘導它們重組細胞裡代謝反應與調節的分子，其中，抗輻射奇異球菌能夠長期生存在沒有波長低於 200 奈米的紫外線的環境中，例如具二氧化碳大氣層的火星。

「這類型的研究幫助我們更了解生命在地球外生存的機制及過程，擴展了我們在外太空的惡劣環境生存與適應的認識。」維也納大學生物化學家 Tetyana Milojevic 說。

研究團隊也表示，像抗輻射奇異球菌這樣具有高效分子反應系統的生命，也許可以在外太空中存活更久，甚至是到更遠的地方去。

看來是很有成為 JO 級生物的潛力啊～（誤）

註解

1. The Japanese Experiment Module，簡稱 JEM，又稱 Kibo ，是日本航空局在國際太空站 （ISS） 上的第一個人類太空設施，用來進行天文觀測及科學實驗。
2. 此平台稱為 Exposed Facility，是國際太空站 （ISS） 的一個特殊設計的平台，位於加壓艙外，暴露在太空環境中。
3. 行星保護 （planetary protection） 指的是設計行星飛行任務的指導原則，目的在於保護天體免受地球生命樣本的污染，並保護地球免受其他天體的污染。
4. 低地球軌道 （Low Earth orbit, LEO），是相對靠近地球表面的軌道，通常處於不到 1000 km 的高度，但可能高出地球 160 km 。與其他軌道相比雖然較低，但仍遠高於地球表面。也是國際太空站 （ISS） 使用的軌道。

參考資料

1. Ott, E., Kawaguchi, Y., Kölbl, D., Rabbow, E., Rettberg, P., Mora, M., … & Milojevic, T. (2020). Molecular repertoire of Deinococcus radiodurans after 1 year of exposure outside the International Space Station within the Tanpopo mission. Microbiome, 8(1), 1-16.
2. 國際太空站 (International Space Station)：Kibo Laboratory
3. The European Space Agency (ESA)：Low Earth orbit
4. This bacterium survived on the outside of the Space Station for an entire year
5. Garrett-Bakelman, F. E., Darshi, M., Green, S. J., Gur, R. C., Lin, L., Macias, B. R., … & Piening, B. D. (2019). The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight. Science, 364(6436).
6. 週日閱讀科學大師系列講座：抗輻射奇異球菌（Deinococcus radiodurans）