微生物制造了云？

張守忠

進化生物學家威廉·漢密爾頓是一位在生物學界頗有建樹的科學家，他的許多觀點想象奇特、新穎、大膽，頗有些像科幻作家創作科幻小說，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。

從傳統生物學來看，天上的云已超出了生物學家的視野，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境的微生物將獲得生存優勢。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，微生物能產生一種導致云形成的化學物質，它們乘著這些云飛行，然后產生第二種化學物質，這些化學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，而不像科學理論。盡管想象過于奇特，漢密爾頓和林頓還是于1998年發表了他們的論文。

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，結果發現，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：為適應環境，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家來說有些過大，對于氣象學家來說太生物化，對于海洋學家來說太過氣象化。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，為了紀念這位富于冒險精神和獨創精神的進化生物學家，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，有意思的事情發生了。漢密爾頓死后不久，科學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，科學家們從云中提取了許多樣品，將其進行冷凍，然后進行現代基因分析。最后他們發現，每個樣品都充滿了蛋白質和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萬個活細胞。當然，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。近年來發現，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現它們的蹤跡，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能力，它們長出了微小的化學“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性進化就可來到云端。風、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，科學家們發現，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卷起的浪端白沫中的上升氣泡“飛”入空中。現在已經知道，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百倍。一旦到達水面，微生物會因氣泡爆裂而被噴進空中。或許這種爆發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)能產生一種二甲基硫醚(DMS)，這是一種細菌代謝副產品，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生二甲基硫醚讓自己受益?能產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，當微生物需要進入空中時，這些化學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種新發現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，云中微生物會產生第二種化合物，一種能促使周圍水分結冰的蛋白質。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·桑德斯受聘于蒙大拿州立大學，這一年蒙州爆發了小麥病原菌。這種細菌能產生一種可提高水的冰點的蛋白質，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。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皿上了一架飛機，到達一定高度后，將培養皿從飛機窗戶處伸出去，他的手幾乎被凍僵了。當他把培養皿帶回實驗室后，發現培養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現了。病原體產生的特殊蛋白質結構模擬冰晶結構，導致液體或水汽中的水分子凝聚，并結冰。起初，細菌似乎只是利用這種蛋白質冰凍植物細胞，但是你只要稍加注意便會發現一個奇怪現象，這種蛋白質不僅普遍存在于小麥病原菌或植物病原體內，而且它也出現在沒有感染植物的微生物體內。它們究竟起何作用呢?

桑德斯很快發現，植物病原菌利用能讓植物發生凍害的蛋白質幫助它們從空中降落下來，它們就隱身于雪花當中。這些蛋白質似乎進化出這樣一種本領，首先幫助微生物脫離云層，然后轉而幫助某些變異病原菌吞噬植物。1976年，科羅拉多大學的拉塞爾·斯科內爾指出，在冰雹的冰核中往往寄居著植物病原菌。2008年，路易斯安那州大學的布倫特·克里斯特內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。結果，他們發現，大部分樣品中寄居著冰核微生物。這一研究結果今年得到了氣象科學家克爾·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，他在冰核中發現了這種生命。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。