遠古微生物襲來，是一場災(zāi)難？

馬佳?胡珉琦

如果說，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，那些原本被長久冰封在冰川中的微生物，因為受到全球氣候變暖的影響，得以釋放，從此便踏入了人類生活的邊界……

與地下深部一樣，冰川是一種獨特的生態(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。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，是否會給人類帶來一場不可預(yù)知的災(zāi)難？

尋找未知的獨特生命

美國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、科研計劃的發(fā)起人和組織者，在過去的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。

他們在150萬～200萬年的冰芯中發(fā)現(xiàn)了依然存活著的細菌和真菌，這些古老的冰芯來自南極的沃斯托克站。不過這些活著的微生物隨著年齡的增長數(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200萬年的冰芯中，250毫升冰芯中只找到了4個獨立的活體微生物。

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。“湖中營養(yǎng)貧乏，完全是一個黑暗的世界，對于任何生命都是一種挑戰(zhàn)。”羅杰斯告訴《中國科學(xué)報》記者。

這些微生物之所以能夠存活下來，是因為引起微生物分子、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；寒冷減小了熱量對它們的毀滅；冰層里水以晶體的形式存在，幾乎沒有流動的水存在，這就減小了化學(xué)物質(zhì)對生物分子的腐蝕；光包括紫外線都可以穿過冰層，但是當(dāng)冰層達到幾米厚時，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有光了。

在這樣的環(huán)境中找到的生命，研究人員通過元基因組合環(huán)境轉(zhuǎn)錄組學(xué)序列分析，對200萬年的冰芯中的那4個獨立的微生物個體進行了檢測分析。

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種獨特的生命，大約95%是細菌。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湖——惠蘭斯湖（Lake Whillans）中，另一隊美國科研小組也有新的發(fā)現(xiàn)。美國蒙大拿州立大學(xué)的生物學(xué)家約翰·普里什庫（John Priscu）是惠蘭斯湖微生物研究團隊的負責(zé)人，他在2013年12月19日美國地球物理聯(lián)盟的年度會議上報告了他們的發(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)作為能量來源。湖水中還發(fā)現(xiàn)了單細胞的異養(yǎng)生物，以古菌等化能生物丟棄的碳為食。目前，研究者們還在對水樣進行分析，希望能找出真核細胞存在的蹤跡。

兩個研究小組在不同地點所取得的生物樣本，有些非常相似，甚至一樣。

不過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有的特征，比如雖然它們不屬于嚴格意義的嗜冷菌，但卻能夠耐寒。

兩隊科學(xué)家在南極兩個地方發(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。

遠古生命“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區(qū)域。中國科學(xué)院青藏高原研究所研究員孔維棟的研究小組近年來一直在關(guān)注拉薩南部的槍勇冰川，它經(jīng)過幾萬年的退縮，末端形成了槍勇錯湖，同時，該湖又與其他的河流連通。

“我們希望能清楚地知道，槍勇錯湖里的微生物究竟從哪兒來。”孔維棟有一個猜測，“至少這片區(qū)域的水環(huán)境很可能受到遠古微生物的‘控制。”

他告訴我們，槍勇錯湖中的微生物無非有三個來源，冰川融水、大氣沉降和周圍土壤。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。

“這可能是因為冰川融水中的微生物隨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，水體微生物含量越低。”因此，孔維棟認為，按照目前的檢測結(jié)果，槍勇錯湖里的微生物很有可能主要來自冰川。

不過，他也表示，為了最終證實這個猜測，研究小組正在對各個取樣段的微生物進行基因測序，只有通過比對才能知道，湖泊中的微生物群落構(gòu)成和冰川末端的是否真的接近。

孔維棟之所以對此格外關(guān)注，是因為冰川中那些代表遠古時代的微生物如果真正進入現(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)動者，尤其是碳、氮循環(huán)的主要參與者，這對該地區(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，控制一個湖泊究竟能對人類環(huán)境產(chǎn)生多大影響，研究人員還不得而知。不過，槍勇錯湖只是一個小小的實驗區(qū)。在青藏高原地區(qū)，冰川融化形成了眾多水系。納木錯湖是我國第二大咸水湖，盡管據(jù)目前估計，只有10%來源于扎當(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。納木錯湖面積1900多平方千米，如果證實是遠古微生物“控制”了該湖，這意味著納木錯湖整個流域內(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。孔維棟認為，可以想象的是，眾多微生物會因為無法適應(yīng)現(xiàn)代環(huán)境而消失。

“存活下來的，其基因表達可能在短時間內(nèi)發(fā)生改變以適應(yīng)環(huán)境的變化。”他表示，由于現(xiàn)代環(huán)境的溫度相對較高，養(yǎng)分也更為豐富，這些長年處于“休眠”狀態(tài)的微生物也將徹底變得活躍起來。

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

這也是科學(xué)家們正在思考的問題。在兩次科研項目中，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，剛剛被冰封了幾個月，主要來自西伯利亞、美國俄亥俄州以及阿拉斯加。”

羅杰斯表示，雖然他們可以測定植物病毒的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，而且這些流感病毒依然具有感染能力。“我們還需要很多的研究來檢測這些病毒在冰里能夠存活多久。”

“一旦冰川融化，這些被冰封的微生物是否會對環(huán)境產(chǎn)生影響，現(xiàn)在沒有人能知道。”羅杰斯說，“不過，隨著冰川的不斷消融，我們最終會找到答案，包括它們影響環(huán)境的方式。”然而，有一點，羅杰斯非常肯定，就是災(zāi)難性后果發(fā)生的幾率非常小。這是因為，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，也不會造成病菌的大范圍傳播。

“這并不是說，這些微生物從冰川中釋放出來完全無害，只能說造成危害的可能性極低，這需要我們在今后的持續(xù)觀察。”羅杰斯表示，“畢竟目前消退的冰川比起整個冰川來說只是很小的一部分。”

事實上，面對全球氣候變暖，冰川消融，大多數(shù)微生物學(xué)家們還來不及追蹤想象中的“超級病毒”，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。（來源：中國科學(xué)報，2014-01-03）endprint