冰川融化 古老病毒释放或成潜在威胁

2014-01-06 06:39:50   来源： 中国科学报

如果说，地下深部微生物由于缺乏通往现代环境的通道，与人类生活几乎处于隔绝的状态，那么，那些原本被长久冰封在冰川中的微生物，因为受到全球气候变暖的影响，得以释放，从此便踏入了人类生活的边界——与地下深部一样，冰川是一种独特的生态环境，冰川覆盖地区气温极低、养分极度贫乏，生态系统非常脆弱，对全球气候变化也极为敏感，该地区的生态系统一旦遭到破坏将很难恢复。尽管这些地区自然条件恶劣，但在这些极端环境中依然栖息着大量微生物。它们的多样性、生态和进化与环境密切相关。

由于全球气候变暖，冰川消融已经成为不可逆转的事实。随着冰川融水的流出，沉睡多年的微生物也随之被解封，它们将丰富现代环境的微生物资源，甚至在局部成为生态环境的主导者。当然，冰川中可能还隐藏着不为人知的病原菌，它们一旦被释放，是否会给人类带来一场不可预知的灾难？

寻找未知的独特生命

美国俄亥俄州博林格林州立大学教授斯科特·罗杰斯是极地冰芯微生物考察、科研计划的发起人和组织者，在过去的5～10年中，一直致力于研究在冰芯中取得的微生物和核酸类样本。

他们在150万～200万年的冰芯中发现了依然存活着的细菌和真菌，这些古老的冰芯来自南极的沃斯托克站。不过这些活着的微生物随着年龄的增长数量也在减少。每毫升冰芯中的微生物，多数年龄小于500岁，而在200万年的冰芯中，250毫升冰芯中只找到了4个独立的活体微生物。

南极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。“湖中营养贫乏，完全是一个黑暗的世界，对于任何生命都是一种挑战。”罗杰斯告诉《中国科学报》记者。

这些微生物之所以能够存活下来，是因为引起微生物分子、生物组织降解的主要原因是热、水，还有一些化学成分比如酶和氧化剂，以及紫外线照射。冰层有效地减弱了所有或大部分这些因素的作用；寒冷减小了热量对它们的毁灭；冰层里水以晶体的形式存在，几乎没有流动的水存在，这就减小了化学物质对生物分子的腐蚀；光包括紫外线都可以穿过冰层，但是当冰层达到几米厚时，光的能量就已经被减小很多了，在几米厚的冰层下就几乎没有光了。

在这样的环境中找到的生命，研究人员通过元基因组合环境转录组学序列分析，对200万年的冰芯中的那4个独立的微生物个体进行了检测分析。

在2013年7月的结论中，罗杰斯和同事们发现，在沃斯托克湖中取得的样本中，至少有3500种独特的生命，大约95%是细菌。剩下的6%左右是真核生物，这其中的一半是真菌。在这些基因序列中，他们发现了大量的嗜冷菌的特征，但也有一些是喜温细菌，这也许指示出沃斯托克湖中有热液区存在。

在南极冰川之下的另一个湖——惠兰斯湖（Lake Whillans）中，另一队美国科研小组也有新的发现。美国蒙大拿州立大学的生物学家约翰·普里什库（John Priscu）是惠兰斯湖微生物研究团队的负责人，他在2013年12月19日美国地球物理联盟的年度会议上报告了他们的发现。

2013年1月，他们从惠兰斯湖采集的水样中，发现着十几种能进行化能作用的古菌。这些微生物主要以二氧化碳、铁、硫和氨等物质作为能量来源。湖水中还发现了单细胞的异养生物，以古菌等化能生物丢弃的碳为食。目前，研究者们还在对水样进行分析，希望能找出真核细胞存在的踪迹。

罗杰斯告诉《中国科学报》记者，两个研究小组在不同地点所取得的生物样本，有些非常相似，甚至一样。

不过更令罗杰斯感兴趣的是，在惠兰斯湖的冰芯中发现的微生物有一些非常独特的特征，比如虽然它们不属于严格意义的嗜冷菌，但却能够耐寒。

两队科学家在南极两个地方发现的这些微生物，都有一些共性，它们非常适应那里的环境，耐寒冷、高压、黑暗、渐变的酸碱值等等。罗杰斯表示，它们的适应性比同地区的其他生物都要强。

远古生命“控制”现代环境？

在微生物圈，关于冰川微生物的研究仍处在起步阶段，除了关注那些尚未被人类发现的新的生命，微生物的生态功能正受到越来越多的重视。

受到气候变化的影响，青藏高原地区大部分冰川正在消融，它也成为学界研究气候环境变化和微生物的重点区域。中国科学院青藏高原研究所研究员孔维栋的研究小组近年来一直在关注拉萨南部的枪勇冰川，它经过几万年的退缩，末端形成了枪勇错湖，同时，该湖又与其他的河流连通。

“我们希望能清楚地知道，枪勇错湖里的微生物究竟从哪儿来。”孔维栋有一个猜测，“至少这片区域的水环境很可能受到远古微生物的‘控制’。”

他告诉《中国科学报》记者，枪勇错湖中的微生物无非有三个来源，冰川融水、大气沉降和周围土壤。课题组从冰川末端到融水形成的小溪，一直到湖泊，再到连通的河流，分别取样，发现冰川末端刚融化的水体中微生物含量是最高的，此后呈逐渐递减的趋势。

“这可能是因为冰川融水中的微生物随着冰川颗粒物逐渐沉降到了湖泊或河流的底部，导致其流经的距离越远，水体微生物含量越低。”因此，孔维栋认为，按照目前的检测结果，枪勇错湖里的微生物很有可能主要来自冰川。

不过，他也表示，为了最终证实这个猜测，研究小组正在对各个取样段的微生物进行基因测序，只有通过比对才能知道，湖泊中的微生物群落构成和冰川末端的是否真的接近。

孔维栋之所以对此格外关注，是因为冰川中那些代表远古时代的微生物如果真正进入现代环境，将意味着人类生存的局部环境可能受到远古微生物的“控制”。

微生物是元素生物地球化学循环的主要驱动者，尤其是碳、氮循环的主要参与者，这对该地区生态系统的构建和维持具有非常重要的作用。尽管，控制一个湖泊究竟能对人类环境产生多大影响，研究人员还不得而知。不过，枪勇错湖只是一个小小的实验区。在青藏高原地区，冰川融化形成了众多水系。纳木错湖是我国第二大咸水湖，尽管据目前估计，只有10%来源于扎当冰川，但它的微生物群落结构也有可能主要受到冰川微生物的影响。纳木错湖面积1900多平方公里，如果证实是远古微生物“控制”了该湖，这意味着纳木错湖整个流域内的生态系统都可能受到它们的影响。

古老病毒释放或成潜在威胁

冰川中的微生物一旦被解封，首先将面临生存环境的巨变。孔维栋认为，可以想象的是，众多微生物会因为无法适应现代环境而消失。

“存活下来的，其基因表达可能在短时间内发生改变以适应环境的变化。”他表示，由于现代环境的温度相对较高，养分也更为丰富，这些长年处于“休眠”状态的微生物也将彻底变得活跃起来。

不过，人们也因此担忧，冰川中的一些病原菌会随着融水进入现代环境，甚至为了生存而进化成为“超级病毒”，这将成为人类生存的一大潜在威胁。

这也是科学家们正在思考的问题。在两次科研项目中，罗杰斯和他的同事们确定了某些病毒的具体序列，他通过邮件告诉《中国科学报》记者：“其中主要是一种植物病毒，叫作番茄花叶病毒。这种病毒是在有14万年年龄的冰川冰中找到的。而另一种则是人禽共患的病毒——A型流感病毒。而这种流感病毒在湖水中，刚刚被冰封了几个月，主要来自西伯利亚、美国俄亥俄州以及阿拉斯加。”

罗杰斯表示，虽然他们可以测定植物病毒的RNA，但仍不能证明它们是否还具有感染性。不过那些A型流感病毒所出现的地方，被证明是有水禽栖息的地点，而且这些流感病毒依然具有感染能力。“我们还需要很多的研究来检测这些病毒在冰里能够存活多久。”

“一旦冰川融化，这些被冰封的微生物是否会对环境产生影响，现在没有人能知道。”罗杰斯说，“不过，随着冰川的不断消融，我们最终会找到答案，包括它们影响环境的方式。”然而，有一点，罗杰斯非常肯定，就是灾难性后果发生的几率非常小。这是因为，冰川中这些微生物的浓度非常低，而且在他们发现的微生物中大部分都不是动物或植物的致病菌。而在冰川地区，人类的人口数量很少，也不会造成病菌的大范围传播。

“这并不是说，这些微生物从冰川中释放出来完全无害，只能说造成危害的可能性极低，这需要我们在今后的持续观察。”罗杰斯表示，“毕竟目前消退的冰川比起整个冰川来说只是很小的一部分。”

事实上，面对全球气候变暖，冰川消融，大多数微生物学家们还来不及追踪想象中的“超级病毒”，他们甚至不知道冰川中到底有多少微生物，它们分别具有什么功能。他们只是迫不及待地想要保存那些可能无法适应现代环境而消失的菌种，抢救冰川微生物资源库。