遠(yuǎn)古微生物襲來(lái)，是一場(chǎng)災(zāi)難？

馬佳?胡珉琦

如果說(shuō)，地下深部微生物由于缺乏通往現(xiàn)代環(huán)境的通道，與人類生活幾乎處于隔絕的狀態(tài)，那么，那些原本被長(zhǎng)久冰封在冰川中的微生物，因?yàn)槭艿饺驓夂蜃兣挠绊?，得以釋放，從此便踏入了人類生活的邊界…?/p>

與地下深部一樣，冰川是一種獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境，冰川覆蓋地區(qū)氣溫極低、養(yǎng)分極度貧乏，生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱，對(duì)全球氣候變化也極為敏感，該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)一旦遭到破壞將很難恢復(fù)。盡管這些地區(qū)自然條件惡劣，但在這些極端環(huán)境中依然棲息著大量微生物。它們的多樣性、生態(tài)和進(jìn)化與環(huán)境密切相關(guān)。

由于全球氣候變暖，冰川消融已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的事實(shí)。隨著冰川融水的流出，沉睡多年的微生物也隨之被解封，它們將豐富現(xiàn)代環(huán)境的微生物資源，甚至在局部成為生態(tài)環(huán)境的主導(dǎo)者。當(dāng)然，冰川中可能還隱藏著不為人知的病原菌，它們一旦被釋放，是否會(huì)給人類帶來(lái)一場(chǎng)不可預(yù)知的災(zāi)難？

尋找未知的獨(dú)特生命

美國(guó)俄亥俄州博林格林州立大學(xué)教授斯科特·羅杰斯是極地冰芯微生物考察、科研計(jì)劃的發(fā)起人和組織者，在過(guò)去的5～10年中，一直致力于研究在冰芯中取得的微生物和核酸類樣本。

他們?cè)?50萬(wàn)～200萬(wàn)年的冰芯中發(fā)現(xiàn)了依然存活著的細(xì)菌和真菌，這些古老的冰芯來(lái)自南極的沃斯托克站。不過(guò)這些活著的微生物隨著年齡的增長(zhǎng)數(shù)量也在減少。每毫升冰芯中的微生物，多數(shù)年齡小于500歲，而在200萬(wàn)年的冰芯中，250毫升冰芯中只找到了4個(gè)獨(dú)立的活體微生物。

南極沃斯托克站位于全世界已知最大的冰下湖泊沃斯托克湖上。“湖中營(yíng)養(yǎng)貧乏，完全是一個(gè)黑暗的世界，對(duì)于任何生命都是一種挑戰(zhàn)?！绷_杰斯告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者。

這些微生物之所以能夠存活下來(lái)，是因?yàn)橐鹞⑸锓肿?、生物組織降解的主要原因是熱、水，還有一些化學(xué)成分比如酶和氧化劑，以及紫外線照射。冰層有效地減弱了所有或大部分這些因素的作用；寒冷減小了熱量對(duì)它們的毀滅；冰層里水以晶體的形式存在，幾乎沒(méi)有流動(dòng)的水存在，這就減小了化學(xué)物質(zhì)對(duì)生物分子的腐蝕；光包括紫外線都可以穿過(guò)冰層，但是當(dāng)冰層達(dá)到幾米厚時(shí)，光的能量就已經(jīng)被減小很多了，在幾米厚的冰層下就幾乎沒(méi)有光了。

在這樣的環(huán)境中找到的生命，研究人員通過(guò)元基因組合環(huán)境轉(zhuǎn)錄組學(xué)序列分析，對(duì)200萬(wàn)年的冰芯中的那4個(gè)獨(dú)立的微生物個(gè)體進(jìn)行了檢測(cè)分析。

在2013年7月的結(jié)論中，羅杰斯和同事們發(fā)現(xiàn)，在沃斯托克湖中取得的樣本中，至少有3500種獨(dú)特的生命，大約95%是細(xì)菌。剩下的6%左右是真核生物，這其中的一半是真菌。在這些基因序列中，他們發(fā)現(xiàn)了大量的嗜冷菌的特征，但也有一些是喜溫細(xì)菌，這也許指示出沃斯托克湖中有熱液區(qū)存在。

在南極冰川之下的另一個(gè)湖——惠蘭斯湖（Lake Whillans）中，另一隊(duì)美國(guó)科研小組也有新的發(fā)現(xiàn)。美國(guó)蒙大拿州立大學(xué)的生物學(xué)家約翰·普里什庫(kù)（John Priscu）是惠蘭斯湖微生物研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，他在2013年12月19日美國(guó)地球物理聯(lián)盟的年度會(huì)議上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。

2013年1月，他們從惠蘭斯湖采集的水樣中，發(fā)現(xiàn)著十幾種能進(jìn)行化能作用的古菌。這些微生物主要以二氧化碳、鐵、硫和氨等物質(zhì)作為能量來(lái)源。湖水中還發(fā)現(xiàn)了單細(xì)胞的異養(yǎng)生物，以古菌等化能生物丟棄的碳為食。目前，研究者們還在對(duì)水樣進(jìn)行分析，希望能找出真核細(xì)胞存在的蹤跡。

兩個(gè)研究小組在不同地點(diǎn)所取得的生物樣本，有些非常相似，甚至一樣。

不過(guò)更令羅杰斯感興趣的是，在惠蘭斯湖的冰芯中發(fā)現(xiàn)的微生物有一些非常獨(dú)有的特征，比如雖然它們不屬于嚴(yán)格意義的嗜冷菌，但卻能夠耐寒。

兩隊(duì)科學(xué)家在南極兩個(gè)地方發(fā)現(xiàn)的這些微生物，都有一些共性，它們非常適應(yīng)那里的環(huán)境，耐寒冷、高壓、黑暗、漸變的酸堿值，等等。羅杰斯表示，它們的適應(yīng)性比同地區(qū)的其他生物都要強(qiáng)。

遠(yuǎn)古生命“控制”現(xiàn)代的環(huán)境？

在微生物圈，關(guān)于冰川微生物的研究仍處在起步階段，除了關(guān)注那些尚未被人類發(fā)現(xiàn)的新的生命，微生物的生態(tài)功能正受到越來(lái)越多的重視。

受到氣候變化的影響，青藏高原地區(qū)大部分冰川正在消融，它也成為學(xué)界研究氣候環(huán)境變化和微生物的重點(diǎn)區(qū)域。中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所研究員孔維棟的研究小組近年來(lái)一直在關(guān)注拉薩南部的槍勇冰川，它經(jīng)過(guò)幾萬(wàn)年的退縮，末端形成了槍勇錯(cuò)湖，同時(shí)，該湖又與其他的河流連通。

“我們希望能清楚地知道，槍勇錯(cuò)湖里的微生物究竟從哪兒來(lái)?！笨拙S棟有一個(gè)猜測(cè)，“至少這片區(qū)域的水環(huán)境很可能受到遠(yuǎn)古微生物的‘控制?！?/p>

他告訴我們，槍勇錯(cuò)湖中的微生物無(wú)非有三個(gè)來(lái)源，冰川融水、大氣沉降和周?chē)寥?。課題組從冰川末端到融水形成的小溪，一直到湖泊，再到連通的河流，分別取樣，發(fā)現(xiàn)冰川末端剛?cè)诨乃w中微生物含量是最高的，此后呈逐漸遞減的趨勢(shì)。

“這可能是因?yàn)楸ㄈ谒械奈⑸镫S著冰川顆粒物逐漸沉降到了湖泊或河流的底部，導(dǎo)致其流經(jīng)的距離越遠(yuǎn)，水體微生物含量越低。”因此，孔維棟認(rèn)為，按照目前的檢測(cè)結(jié)果，槍勇錯(cuò)湖里的微生物很有可能主要來(lái)自冰川。

不過(guò)，他也表示，為了最終證實(shí)這個(gè)猜測(cè)，研究小組正在對(duì)各個(gè)取樣段的微生物進(jìn)行基因測(cè)序，只有通過(guò)比對(duì)才能知道，湖泊中的微生物群落構(gòu)成和冰川末端的是否真的接近。

孔維棟之所以對(duì)此格外關(guān)注，是因?yàn)楸ㄖ心切┐磉h(yuǎn)古時(shí)代的微生物如果真正進(jìn)入現(xiàn)代環(huán)境，將意味著人類生存的局部環(huán)境可能受到遠(yuǎn)古微生物的“控制”。

微生物是元素生物地球化學(xué)循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)者，尤其是碳、氮循環(huán)的主要參與者，這對(duì)該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建和維持具有非常重要的作用。盡管，控制一個(gè)湖泊究竟能對(duì)人類環(huán)境產(chǎn)生多大影響，研究人員還不得而知。不過(guò)，槍勇錯(cuò)湖只是一個(gè)小小的實(shí)驗(yàn)區(qū)。在青藏高原地區(qū)，冰川融化形成了眾多水系。納木錯(cuò)湖是我國(guó)第二大咸水湖，盡管據(jù)目前估計(jì)，只有10%來(lái)源于扎當(dāng)冰川，但它的微生物群落結(jié)構(gòu)也有可能主要受到冰川微生物的影響。納木錯(cuò)湖面積1900多平方千米，如果證實(shí)是遠(yuǎn)古微生物“控制”了該湖，這意味著納木錯(cuò)湖整個(gè)流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)都可能受到它們的影響。

古老病毒釋放或成潛在的威脅

冰川中的微生物一旦被解封，首先將面臨生存環(huán)境的巨變?？拙S棟認(rèn)為，可以想象的是，眾多微生物會(huì)因?yàn)闊o(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代環(huán)境而消失。

“存活下來(lái)的，其基因表達(dá)可能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生改變以適應(yīng)環(huán)境的變化?！彼硎?，由于現(xiàn)代環(huán)境的溫度相對(duì)較高，養(yǎng)分也更為豐富，這些長(zhǎng)年處于“休眠”狀態(tài)的微生物也將徹底變得活躍起來(lái)。

因此擔(dān)憂，冰川中的一些病原菌會(huì)隨著融水進(jìn)入現(xiàn)代環(huán)境，甚至為了生存而進(jìn)化成為“超級(jí)病毒”，這將成為人類生存的一大潛在威脅。

這也是科學(xué)家們正在思考的問(wèn)題。在兩次科研項(xiàng)目中，羅杰斯和他的同事們確定了某些病毒的具體序列，他通過(guò)郵件告訴我們：“其中主要是一種植物病毒，叫作番茄花葉病毒。這種病毒是在有14萬(wàn)年年齡的冰川冰中找到的。而另一種則是人禽共患的病毒——A型流感病毒。而這種流感病毒在湖水中，剛剛被冰封了幾個(gè)月，主要來(lái)自西伯利亞、美國(guó)俄亥俄州以及阿拉斯加?！?/p>

羅杰斯表示，雖然他們可以測(cè)定植物病毒的RNA，但仍不能證明它們是否還具有感染性。不過(guò)那些A型流感病毒所出現(xiàn)的地方，被證明是有水禽棲息的地點(diǎn)，而且這些流感病毒依然具有感染能力?！拔覀冞€需要很多的研究來(lái)檢測(cè)這些病毒在冰里能夠存活多久?！?/p>

“一旦冰川融化，這些被冰封的微生物是否會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，現(xiàn)在沒(méi)有人能知道?！绷_杰斯說(shuō)，“不過(guò)，隨著冰川的不斷消融，我們最終會(huì)找到答案，包括它們影響環(huán)境的方式?！比欢幸稽c(diǎn)，羅杰斯非?？隙?，就是災(zāi)難性后果發(fā)生的幾率非常小。這是因?yàn)?，冰川中這些微生物的濃度非常低，而且在他們發(fā)現(xiàn)的微生物中大部分都不是動(dòng)物或植物的致病菌。而在冰川地區(qū)，人類的人口數(shù)量很少，也不會(huì)造成病菌的大范圍傳播。

“這并不是說(shuō)，這些微生物從冰川中釋放出來(lái)完全無(wú)害，只能說(shuō)造成危害的可能性極低，這需要我們?cè)诮窈蟮某掷m(xù)觀察?！绷_杰斯表示，“畢竟目前消退的冰川比起整個(gè)冰川來(lái)說(shuō)只是很小的一部分。”

事實(shí)上，面對(duì)全球氣候變暖，冰川消融，大多數(shù)微生物學(xué)家們還來(lái)不及追蹤想象中的“超級(jí)病毒”，他們甚至不知道冰川中到底有多少微生物，它們分別具有什么功能。他們只是迫不及待地想要保存那些可能無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代環(huán)境而消失的菌種，搶救冰川微生物資源庫(kù)。（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)，2014-01-03）endprint