微生物制造了云？

張守忠

進化生物學(xué)家威廉·漢密爾頓是一位在生物學(xué)界頗有建樹的科學(xué)家，他的許多觀點想象奇特、新穎、大膽，頗有些像科幻作家創(chuàng)作科幻小說，其中尤以他的云論假說最具代表性，他認為，云中存在微生物，并且這些微生物制造了云。

從傳統(tǒng)生物學(xué)來看，天上的云已超出了生物學(xué)家的視野，由于空氣過于稀薄，長期以來，大家都認為，云中不可能存在任何生命形式。然而，漢密爾頓卻不這樣看。他將一朵朵云彩想象成充滿了各種生命體的河流。1997年，漢密爾頓將自己的云理論傳授給了諾里奇大學(xué)的博士生蒂莫西·林頓，兩人一起合作，探討微生物進入云中的可能性。

這一理論起始于海洋中稠密的微生物。當(dāng)海洋中的微生物種群變得過于擁擠時，能夠逃出這種不利環(huán)境的微生物將獲得生存優(yōu)勢。然而，這些微生物是如何逃出去的呢?它們能否“飛”進云中，乘著云霧來到更適宜它們生長的新環(huán)境中呢?單細胞生物似乎擁有這種能力。漢密爾頓認為，微生物能產(chǎn)生一種導(dǎo)致云形成的化學(xué)物質(zhì)，它們乘著這些云飛行，然后產(chǎn)生第二種化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物能促使云生成雨或雪，從而將它們帶回到地面。這一觀點聽起來更像是一種適合兒童閱讀的童話，而不像科學(xué)理論。盡管想象過于奇特，漢密爾頓和林頓還是于1998年發(fā)表了他們的論文。

云中存在微生物的觀點并非完全陌生。早期生物學(xué)家曾做過這方面的實驗，他們將一個玻璃瓶從飛機窗口伸出去，然后返回地面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玻璃瓶里充滿了微生物。然而，漢密爾頓和林頓的觀點新奇之處在于：為適應(yīng)環(huán)境，微生物通過自然選擇進化出了造云的能力，就像海貍進化出建造池塘的能力一樣。

漢密爾頓和林頓的論文具有超前性。文中提出的問題對于微生物學(xué)家來說有些過大，對于氣象學(xué)家來說太生物化，對于海洋學(xué)家來說太過氣象化。實際上，沒有一個人能夠了解云霧究竟由哪些成分組成，即便是漢密爾頓和林頓也不完全知曉。

漢密爾頓去世后，為了紀(jì)念這位富于冒險精神和獨創(chuàng)精神的進化生物學(xué)家，他的朋友和追隨者將他的云論作為一種新奇觀點來討論，隨后便被大家置之不理。然而，有意思的事情發(fā)生了。漢密爾頓死后不久，科學(xué)家們開始檢驗他的云論。首先檢驗了云中含有大量微生物的觀點，科學(xué)家們從云中提取了許多樣品，將其進行冷凍，然后進行現(xiàn)代基因分析。最后他們發(fā)現(xiàn)，每個樣品都充滿了蛋白質(zhì)和DNA，這意味著云中的確存在生命。在云霧中，平均每毫升水分含有數(shù)萬個活細胞。當(dāng)然，與相同容量的池塘水相比顯然要少得多，但它仍遠遠超出了大家先前的預(yù)料。水藻、細菌和各種真菌不僅乘云飛行，而且實際上就生活在云里面，它們在這里生息、繁衍，以云里的有機酸、醇類、硫磺和氮為食。近年來發(fā)現(xiàn)，有3種細菌一路扶搖直上，進入了平流層。平流層距離地面有12英里之遙，不僅位置高，更要命的是，這里的空氣極其稀薄，云量也最少。這3種細菌除了生活在平流層中，在任何一個地方都沒有發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡，這樣就留下了一個未解之謎：某些物種可能只適合生活在云中。按照漢密爾頓的觀點，云霧是這些微生物的生物王國，而梭羅將云霧形象地稱為“飄動的空氣牧場”。

漢密爾頓和林頓假說的關(guān)鍵之處，不是簡單地指出云里生活著微生物，而是這些微生物已進化出一種與眾不同的特殊適應(yīng)能力，它們長出了微小的化學(xué)“翅膀”，從而將它們帶到了這里。生活在森林和沙漠中的微生物不需要進行任何適應(yīng)性進化就可來到云端。風(fēng)、沙塵暴、大火和雷電足可以將它們吹向空中。但對于海洋微生物來說，要到達云端首先必須逃脫水的表面張力，這不是一件容易做到的事。然而，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，云霧里仍充滿了這種微小的海洋微生物。

漢密爾頓和林頓猜想，海洋微生物以及其他單細胞生物利用被大風(fēng)卷起的浪端白沫中的上升氣泡“飛”入空中。現(xiàn)在已經(jīng)知道，這種氣泡在上升過程中不斷“吞噬”細菌和其他單細胞生物。一個氣泡聚集的微生物密度是其周圍微生物密度的數(shù)百倍。一旦到達水面，微生物會因氣泡爆裂而被噴進空中?；蛟S這種爆發(fā)力足以將微生物送入天空，然而，漢密爾頓和林頓認為，這種推力還不夠，應(yīng)該還有其他推動力量。

他們知道，海洋微生物(尤其是海藻)能產(chǎn)生一種二甲基硫醚(DMS)，這是一種細菌代謝副產(chǎn)品，易燃，不溶于水。此外，他們還知道，由海洋微生物生成的二甲基硫醚能啟動云的形成過程。云中微生物產(chǎn)生二甲基硫醚分子，而二甲基硫醚可以促進水分子冷凝，形成冷凝液。對于這一觀點目前沒有太多爭論，問題是微生物的基因能否通過產(chǎn)生二甲基硫醚讓自己受益?能產(chǎn)生更多二甲基硫醚的微生物被拋入空中后能否獲得更好的生存機會?還有，這些微生物進入云端后能否被輸送到一片更適合它們生長的海域，并讓其子孫受益?漢密爾頓和林頓認為完全可以。他們還猜測，二甲基硫醚就像某種運載工具，當(dāng)微生物需要進入空中時，這些化學(xué)物可以將其送上云端，這就是他們認為的第二種推力。

微生物進入云中后，它們是如何落下來的呢?迄今為止，除了3種新發(fā)現(xiàn)細菌只生活在平流層外，絕大部分飛翔在我們頭頂上的微生物都需要落到地面上繁衍后代。漢密爾頓和林頓認為，云中微生物會產(chǎn)生第二種化合物，一種能促使周圍水分結(jié)冰的蛋白質(zhì)。被冰凍起來的微生物自由降落到地面，如果一切順利，冰最終會融化，微生物會生長、分裂。

1976年，大衛(wèi)·桑德斯受聘于蒙大拿州立大學(xué)，這一年蒙州爆發(fā)了小麥病原菌。這種細菌能產(chǎn)生一種可提高水的冰點的蛋白質(zhì)，以相對較高的溫度致使植物的葉子遭受霜凍害。遭受凍害的植物細胞會爆裂，某些細菌就趁機吞噬細胞里的物質(zhì)。桑德斯始終搞不明白，感染植物的病菌來自何處。他做了一個實驗，將一部分麥種進行滅菌處理，然后將其種到試驗田里。令人不可思議的是，小麥仍然被感染了。病菌似乎直接來自天上，于是他決定再做一個試驗。他拿著一個皮氏培養(yǎng)皿上了一架飛機，到達一定高度后，將培養(yǎng)皿從飛機窗戶處伸出去，他的手幾乎被凍僵了。當(dāng)他把培養(yǎng)皿帶回實驗室后，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)皿里長出了小麥病原菌。原來病菌就漂浮在麥地上方的云層里，以某種方式降落到經(jīng)過滅菌處理的小麥上。

植物病原菌升高水的冰點的秘密最終被桑德斯發(fā)現(xiàn)了。病原體產(chǎn)生的特殊蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模擬冰晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致液體或水汽中的水分子凝聚，并結(jié)冰。起初，細菌似乎只是利用這種蛋白質(zhì)冰凍植物細胞，但是你只要稍加注意便會發(fā)現(xiàn)一個奇怪現(xiàn)象，這種蛋白質(zhì)不僅普遍存在于小麥病原菌或植物病原體內(nèi)，而且它也出現(xiàn)在沒有感染植物的微生物體內(nèi)。它們究竟起何作用呢?

桑德斯很快發(fā)現(xiàn)，植物病原菌利用能讓植物發(fā)生凍害的蛋白質(zhì)幫助它們從空中降落下來，它們就隱身于雪花當(dāng)中。這些蛋白質(zhì)似乎進化出這樣一種本領(lǐng)，首先幫助微生物脫離云層，然后轉(zhuǎn)而幫助某些變異病原菌吞噬植物。1976年，科羅拉多大學(xué)的拉塞爾·斯科內(nèi)爾指出，在冰雹的冰核中往往寄居著植物病原菌。2008年，路易斯安那州大學(xué)的布倫特·克里斯特內(nèi)爾和桑德斯從南極洲等地收集雪樣品，看看雪花中究竟藏有什么東西。結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)，大部分樣品中寄居著冰核微生物。這一研究結(jié)果今年得到了氣象科學(xué)家克爾·波萊特的證實，通過分析降落在一架裝有特別裝備的飛機上的云霧冰晶，他在冰核中發(fā)現(xiàn)了這種生命。這些微生物——細菌、海藻和真菌，隨著雨雪紛紛從天而降，其密度之大猶如下了一場菌雪或菌雨。