如果說地下深處的微生物由于無法進(jìn)入現(xiàn)代環(huán)境而幾乎與人類生活隔絕，那么那些在冰川中長期凍結(jié)的微生物，則是因?yàn)槿蜃兣挠绊懚会尫懦鰜淼摹哪菚r起，他們踏入了人類生活的邊界-

——記者馬家虎禺期

如同地下深處一樣，冰川是一個獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境。冰川覆蓋的區(qū)域溫度極低，營養(yǎng)物質(zhì)極其貧乏，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，對全球氣候變化極其敏感。一旦遭到破壞，這個地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)將難以恢復(fù)。盡管這些地區(qū)自然條件惡劣，但大量微生物仍生活在這些極端環(huán)境中。它們的多樣性、生態(tài)和進(jìn)化與環(huán)境密切相關(guān)。

由于全球變暖，冰川融化已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的事實(shí)。隨著冰川融水的流出，沉睡多年的微生物將被啟封，這將豐富現(xiàn)代環(huán)境的微生物資源，甚至成為生態(tài)環(huán)境的主導(dǎo)部分。當(dāng)然，冰川中可能隱藏著未知的病原體。一旦被釋放，會給人類帶來不可預(yù)知的災(zāi)難嗎？

▲科學(xué)家在南極冰上鉆探

尋找未知而獨(dú)特的生活

斯科特·羅杰斯(Scott Rogers)是美國俄亥俄州柏林州立大學(xué)(Bolingreen State University)的教授，他是極地冰芯微生物調(diào)查和科學(xué)研究項(xiàng)目的發(fā)起者和組織者。在過去的5 ~ 10年里，他致力于研究從冰芯中獲得的微生物和核酸樣品。

他們發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和真菌仍然生活在150萬到200萬年前的冰芯中。這些古老的冰芯來自南極洲的東方站。然而，這些活微生物的數(shù)量隨著年齡的增長而減少。每毫升冰芯中的微生物大多不到500歲，但在200萬年的250毫升冰芯中只發(fā)現(xiàn)4個獨(dú)立的活微生物。

南極洲的東方站位于世界上已知最大的冰下湖東方湖?！昂袪I養(yǎng)不良是一個完全黑暗的世界，這對任何生命都是一個挑戰(zhàn)?！绷_杰斯告訴《中國科學(xué)雜志》。

這些微生物之所以能存活下來，是因?yàn)槲⑸锓肿雍蜕锝M織降解的主要原因是熱、水、一些化學(xué)成分如酶和氧化劑、紫外線輻射。冰層有效削弱了這些因素的全部或大部分；寒冷減少了熱量對它們的破壞；冰層中的水以晶體的形式存在，幾乎沒有流動的水，減少了化學(xué)物質(zhì)對生物分子的腐蝕；光，包括紫外線，可以穿過冰層，但是當(dāng)冰層達(dá)到幾米厚時，光的能量已經(jīng)大大減少，幾米厚的冰層下幾乎沒有光。

對于在這樣的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的生命，研究人員通過元基因組合環(huán)境轉(zhuǎn)錄組序列分析，檢測分析了200萬年冰核中的4個獨(dú)立微生物個體。

羅杰斯和他的同事在2013年7月的結(jié)論中發(fā)現(xiàn)，從東方湖采集的樣本中至少有3500種獨(dú)特的生命，其中約95%是細(xì)菌。剩下的6%是真核生物，有一半是真菌。在這些基因序列中，他們發(fā)現(xiàn)了大量的嗜冷菌，但其中有一部分是嗜熱菌，這可能表明東方湖存在熱液帶。

另一個美國科研小組也在南極冰川下的另一個湖泊——惠朗斯湖有了新的發(fā)現(xiàn)。美國蒙大拿州立大學(xué)的生物學(xué)家約翰·普里斯庫是威蘭湖微生物研究小組的負(fù)責(zé)人。他在2013年12月19日的美國地球物理聯(lián)盟年會上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。

2013年1月，他們采集了惠朗斯湖的水樣，發(fā)現(xiàn)了十多種能夠執(zhí)行化學(xué)能的古細(xì)菌。這些微生物主要利用二氧化碳、鐵、硫和氨作為能源。單細(xì)胞異養(yǎng)生物也在湖水中發(fā)現(xiàn)，它們以古細(xì)菌等化學(xué)能生物丟棄的碳為食。目前研究人員還在分析水樣，希望能發(fā)現(xiàn)真核細(xì)胞的存在。

羅杰斯告訴《中國科學(xué)技術(shù)雜志》，兩個研究小組在不同地方獲得的一些生物樣本非常相似，甚至是相同的。

但令羅杰斯感興趣的是，在慧蘭湖冰核中發(fā)現(xiàn)的微生物有一些非常獨(dú)特的特征，例如，雖然它們不是嚴(yán)格的嗜冷菌，但它們可以抵御寒冷。

這兩隊(duì)科學(xué)家在南極洲兩個地方發(fā)現(xiàn)的微生物有一些共性。它們非常適合那里的環(huán)境，耐寒，耐高壓，耐黑暗，耐pH值逐漸變化等等。羅杰斯說，它們比同一地區(qū)的其他生物適應(yīng)性更強(qiáng)。

▲南極冰芯微生物樣品的提取

古代生活“控制”了現(xiàn)代環(huán)境？

在微生物群落中，對冰川微生物的研究還處于起步階段。除了關(guān)注人類尚未發(fā)現(xiàn)的新生命，微生物的生態(tài)功能也越來越受到重視。

受氣候變化影響，青藏高原大部分冰川正在消融，也成為氣候變化和微生物學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。中國科學(xué)院青藏高原研究所研究員孔衛(wèi)東近年來一直關(guān)注拉薩南部的滾涌冰川。經(jīng)過幾萬年的撤退，在其末端形成了滾雍錯湖，同時該湖與其他河流相連。

"我們希望清楚地知道滾永湖中的微生物來自哪里."孔衛(wèi)樓有一種推測，“至少這一帶的水環(huán)境很可能是被古代微生物‘控制’的。”

他告訴《中國科學(xué)技術(shù)雜志》說，滾永措湖微生物的來源只有三種，即冰川融水、大氣沉降和周圍土壤。研究小組從冰川末端到融水形成的溪流取樣，一直到湖泊，再到相連的河流，發(fā)現(xiàn)冰川末端剛?cè)诨乃形⑸锖孔罡?，然后逐漸減少。

“這可能是因?yàn)楸ㄈ谒械奈⑸镫S著冰川顆粒逐漸沉降到湖泊或河流的底部，導(dǎo)致它們流動的距離越遠(yuǎn)，水中的微生物含量越低?！币虼耍仔l(wèi)東認(rèn)為，根據(jù)目前的檢測結(jié)果，滾永措湖的微生物很可能主要來自冰川。

然而，他也表示，為了最終證實(shí)這一猜測，研究小組正在對每個采樣區(qū)的微生物基因進(jìn)行測序。只有通過對比才能知道湖泊中微生物群落的組成是否真的接近冰川末端。

孔衛(wèi)東之所以對此特別關(guān)注，是因?yàn)槿绻ㄖ写砉糯奈⑸镎娴倪M(jìn)入現(xiàn)代環(huán)境，就意味著人類賴以生存的當(dāng)?shù)丨h(huán)境可能被古代微生物“控制”。

微生物是元素生物地球化學(xué)循環(huán)的主要驅(qū)動力，尤其是碳氮循環(huán)的主要參與者，在該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)中起著非常重要的作用。盡管如此，研究人員仍然不知道一個湖泊會對人類環(huán)境產(chǎn)生多大的影響。但滾永措湖只是一個小實(shí)驗(yàn)區(qū)。在青藏高原，冰川融化形成了許多水系。納木錯湖是中國第二大咸水湖。雖然估計(jì)只有10%來自扎當(dāng)冰川，但其微生物群落結(jié)構(gòu)可能主要受冰川微生物的影響。納木措湖占地1900多平方公里。如果證明古代微生物“控制”了湖泊，就意味著納木錯湖整個流域的生態(tài)系統(tǒng)都可能受到它們的影響。

古代病毒被釋放或成為潛在威脅

冰川中的微生物一旦啟封，將面臨生存環(huán)境的巨大變化?？仔l(wèi)東認(rèn)為，可以想見，很多微生物會因?yàn)椴荒苓m應(yīng)現(xiàn)代環(huán)境而消失。

“如果你活下來了，你的基因表達(dá)可能會在短時間內(nèi)發(fā)生變化，以適應(yīng)環(huán)境的變化?！彼f，由于現(xiàn)代環(huán)境中相對較高的溫度和豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，這些處于“休眠”狀態(tài)多年的微生物也會變得完全活躍。

但人們擔(dān)心冰川中的一些病原菌會隨著融水進(jìn)入現(xiàn)代環(huán)境，甚至演變成“超級病毒”生存，成為人類生存的巨大潛在威脅。

這也是科學(xué)家正在思考的問題。在兩個科學(xué)研究項(xiàng)目中，羅杰斯和他的同事確定了一些病毒的特定序列。他通過電子郵件告訴《中國科學(xué)雜志》:“它主要是一種叫做番茄花葉病毒的植物病毒。病毒是在14萬年前的冰川冰中發(fā)現(xiàn)的。另一種是甲型流感病毒，這種病毒在人類和家禽中很常見。流感病毒剛在湖里凍了幾個月，主要來自西伯利亞、俄亥俄州和阿拉斯加?！?/p>

羅杰斯說，雖然他們可以測量植物病毒的RNA，但仍然不能證明它們是否仍然具有傳染性。但是甲型流感病毒出現(xiàn)的地方已經(jīng)被證明是水禽棲息的地方，這些流感病毒仍然具有傳染性?！拔覀?nèi)匀恍枰罅康难芯縼頊y試這些病毒能在冰中存活多久?！?/p>

“一旦冰川融化，這些冰凍的微生物是否會對環(huán)境產(chǎn)生影響，現(xiàn)在還沒人能知道?！绷_杰斯說，“然而，隨著冰川的不斷融化，我們最終會找到答案，包括它們影響環(huán)境的方式?！钡?，羅杰斯非?？隙?，災(zāi)難性后果的概率很小。這是因?yàn)檫@些微生物在冰川中的濃度很低，它們發(fā)現(xiàn)的微生物大多不是動植物的致病菌。在冰川地區(qū)，人類的人口很少，不會造成病菌的大范圍傳播。

“這并不是說從冰川中釋放這些微生物是完全無害的。只能說造成傷害的可能性極低，這就需要我們以后不斷的觀察?！绷_杰斯說，“畢竟，目前正在消退的冰川只是整個冰川的一小部分?！?/p>

事實(shí)上，面對全球變暖和冰川融化，大多數(shù)微生物學(xué)家還沒有時間去追蹤想象中的“超級病毒”，他們甚至不知道冰川中有多少微生物，它們有什么功能。他們只是迫不及待地想拯救那些因?yàn)闊o法適應(yīng)現(xiàn)代環(huán)境而可能消失的菌株，拯救冰川微生物資源庫。