遠古未知病毒來了,我們需要擔心嗎?
2020年03月12日11:50

原標題:遠古未知病毒來了,我們需要擔心嗎?

原創 星球科學評論

當最後一根鑽杆從冰層里取出時,科學家們也不知道,自己將要開啟一個怎樣的“時間膠囊”。2015年9月,中美俄意秘五國科學家集結崑崙山古裡雅冰川,這是中國科學院青藏高原研究所與美國俄亥俄州里大學共同開展的一次綜合科考活動,目的是通過鑽取深部冰芯研究各種古代環境特徵[1-3]。

古裡雅冰川的一條冰舌 | 古裡雅冰川位於新疆與西藏交界處的西崑侖山,其末端底部冰層年齡可達7.4萬年[4]。這一數據與此前對古裡雅冰芯的測年數據存在較大出入,仍需更多研究。攝影師@李久樂

冰川是古代降雪落到地面後無法融化、逐漸堆積壓實形成的冰體。從蓬鬆的積雪轉變為冰的過程里,也會將一些空氣、落塵和表面的各種物質凍結起來[5]。隨著冰川越積越厚,它便成為保存古代大氣和冰面物質的“時間膠囊”。

阿拉斯加航特山(Mt. Hunter)冰川取出的一段冰芯 | 褐色位置是混雜了泥沙和塵埃的冰體,具有較高的研究價值。圖源@NOAA Climate.gov

科學家在避免外界汙染的前提下融化冰體,就可以推開瞭解過去的窗戶。近幾年,人們逐漸發佈了一些對2015年冰芯取得的新認識,其中一項便於今年1月7日發佈在BioRxiv論文預印本網站。研究者在嚴格消毒的環境下,從距今520~15000年範圍內的冰芯里分離出了較豐富的微生物,包括18種細菌和33種病毒,其中29種病毒是人類之前從未遇見過的種類[6]。

古裡雅冰川內發現的病毒種類統計圖 | 發現的33種病毒里,有4種為已分類(指做過基因測序)病毒。29種未分類病毒中,2種具有親緣關係能夠聚類成病毒簇,其餘27種為單獨種群。製圖@陳睿婷|星球科學評論

在這個春天,人們因為新型冠狀病毒而格外緊張,“未知古老病毒”這幾個字眼很容易挑動人們的神經。人們會擔心這些病毒是否危險,會不會對人產生危害,這樣的現像是否罕見,是否意味著什麼可怕的事情。

所以,我們真的需要擔心嗎?說實話,其實不太需要。

01

冰川里有很多微生物

在人類眼中,冰川往往意味著嚴寒、生存環境惡劣、缺少生機……除了壯美之外,似乎都是一些不太好的詞彙。冰川的世界里缺少宏觀植物,散落的泥沙石塊也無法喂飽動物。即使是在南北兩極,企鵝和北極熊等動物實際上依託海洋生存,遼闊冰原僅僅是它們落腳和休憩的場所。

在山地冰川,這種荒蕪感被襯托得更加強烈,即使偶爾有動物經過,那也是匆匆來去。即使是末端已經下降到林木線以下的四川貢嘎山海螺溝冰川,冰體表面同樣了無生氣。

四川貢嘎山海螺溝冰川 | 冰川的最前端已經降至林木線以下,冰川的荒蕪與周圍森林形成鮮明反差。圖源@VCG

但眼見不一定為實。在世界各地,研究者都曾經在冰川表面提取到豐富的微生物,包括藻類、真菌、細菌、古菌、放線菌和病毒[7-9]。它們有著對低溫環境和強紫外線的超強耐受力,在冰雪的世界里寫下各自的傳奇。

例如近期一些報導提到,一種叫做雪藻(Chlamydomonas nivalis)的微生物正在南極冰原蓬勃生長,它們聚集成片,將冰雪染上血一般的顏色。這是一種單細胞綠藻類植物,廣泛分佈在南北兩極冰蓋和其他的高山冰雪區,在阿拉斯加的群山裡、阿爾卑斯山脈的冰川上、青藏高原的腹地中、甚至終年積雪的富士山頂都有分佈。每當夏季到來,雪藻會呈現出明顯的紅-粉紅色,而到了秋末至初春,又會轉變為淡淡的綠色[7]。

滋生雪藻的南極冰蓋 | 綠色和紅色的雪藻,讓這一段冰面看起來很髒,但這實際上是生命的顏色。圖源@VCG

雪藻這樣的微觀植物為一個龐大的冰凍圈生態系統提供了物質保障,光合作用維繫著一個十分活躍的微生物世界,其生物繁盛度遠超你的想像。風也幫助維持著這個生態系統,不僅為冰面帶來灰塵和有機物,給微生物添加微量元素和意外的“零食”[8],還能幫助這些微生物乘風而去,跨越群山的阻隔紮根四方[9]。

除了藻類,人們在兩極的地表、冰層和湖泊中也檢出了其他微生物,例如病毒。在南極的季節性湖泊Limnopolar湖中,湖水中便充斥著各式各樣的病毒,以多種噬菌體為主[10]。

南極Limnopolar湖中檢出的多種病毒 | 為電子顯微鏡下照片,其中上排為不同類型的噬菌體病毒。圖源@文獻[10]

細菌和真菌等細胞微生物消耗著藻類製造的有機物,而病毒又把各種細胞微生物作為“劫持目標”,一旦抓住機會便瘋狂入侵,劫持細胞功能瘋狂複製。被殺死的細胞生物則歸於塵土,將養分歸還自然。生存與死亡,合成與分解,就在這些不起眼的冰凍圈微生物之間周而複始。

龐大的微生物基數,使它們有機會被冰雪埋藏,隱藏在冰下的世界里,並且憑藉優秀的適應性,存活很長時間。

在阿爾卑斯山,人們在“冰人奧茨”遺留下的草鞋里發現了2種真菌和1種放線菌,有觀點認為,這些微生物可以排除後期汙染,是存活了5300年的古老微生物[11-12]。冰人奧茨被發現時有一半軀體暴露在冰雪之上,人們認為他原先死在更高的山頂,被冰雪掩埋後才隨著冰川運動到發現地點。

阿爾卑斯山“冰人奧茨(Ötzi)”的發現現場 | 1991年,登山者在阿爾卑斯山南坡3200多米處發現了一具距今5300多年的男性遺體木乃伊,即為大名鼎鼎的“冰人奧茨”。圖源@South Tyrol 考古博物館 / www.iceman.it

在北極的格陵蘭島,人們從冰齡為14萬年的冰芯里發現了屬於番茄-菸草花葉病毒的遺傳物質[13],被視為從遠方吹到格陵蘭的病毒。

在南極,科學家們在著名的Vostok湖上方鑽井,取出了長達3623米(底部冰齡42萬年)的冰芯。在冰芯的1500-2750米(冰齡2.4萬-11萬年)處檢測出大量細胞微生物及病毒樣顆粒,而冰芯底部蘊含的微生物,也被視為Vostok湖水中存在微生物生態系統的證據[6, 14]。

南極Vostok湖增生冰體內的微生物分佈示意圖 | 圖面空間有限,僅翻譯了重要信息。圖源@IDEO / 哥倫比亞大學

雖然這些包括病毒在內的微生物被封存在古老的冰層里,但有趣的是,這些病毒實際上離我們並不遙遠——因為古老的冰層,其實挺常見的。

02

冰川微生物從不曾遠離

在巨大重量的拖拽下,冰體會以肉眼可見的速度流動。全球冰川特性不同,流速有快有慢。在降水量小的祁連山腳下,七一冰川在2013年測得平均流速為每年7米,最快的部位能達到12米[15],是運動不活躍的大陸性冰川。而文章開頭提到的海螺溝冰川是更加活躍的海洋性冰川,降水量大,冰雪積累快,流動速率可達到每天0.3米~2米[16],是前者的數百倍。

這也是人們將冰川稱作“川”的原因:川者,河也。古老的冰體以這樣的方式實現新陳代謝,從冰川上遊流向末端。

新西蘭南島Franz Josef冰川流動的延時視頻 | 該冰川為冰雪積累很快的海洋性冰川,流動速度快;拍攝時間為2013年1月至2014年6月。來源@Brian Anderson / 惠靈頓Victoria大學

冰川一邊積累一邊流動。理論上,年齡古老的冰塊通常出現在冰川底部,它們中的一部分會殘留在冰川底層,多數會隨著冰川的流動去向冰川前端[4]。隨著海拔降低,溫度隨之升高,古老的冰川前端會逐漸進入溫暖的區域,最終融化。

冰川縱向剖面的年齡分佈示意圖 | 理論上,最古老的冰往往分佈在冰川底部或者末端,但冰川末端的冰體高度破碎,年代往往比較混亂,遠比示意圖中的模型複雜。製圖@陳睿婷|星球科學評論

以古裡雅冰川為例,人們在冰舌邊緣的底部採集樣品,測得冰體年齡範圍為距今1.5萬~7.4萬年[4]。儘管這一數據比以往通過冰芯獲取的數據低一個數量級,表明人們需要對該冰川進行更多的測年研究,但也足以說明,古老的冰川冰距離我們並不遙遠。

古裡雅冰川前端的冰崖 | 在古裡雅冰川數個冰舌的前端,人們在距離冰崖不遠處挖洞采樣,測到了1.5萬~7.4萬年的冰齡數據。注意冰崖的龐大規模和複雜的冰層現象。攝影師@李久樂

若從冰層形成的角度考慮,冰川也像是個“時光機器”。以七一冰川為例,它全長僅有3000米左右,一塊冰從形成於最高處到流動至最低處,需要耗費四百多年的時間。理論上,我們大概可以在這條冰川的末端或者底部的某處,尋找到明代降下的“雪花”和埋藏於那時的微生物——假如它們還活著。如果不是因為當代全球變暖加速了冰川的流動和消融後退,這個時間其實可以更長。

祁連山七一冰川 | 冰川並不是靜態的存在,而應視作古老與現代頻繁相遇的地點。攝影師@傅鼎

古往今來,不知有多少微生物,在被冰封了或長或短的時間後,便重新加入融水,流淌在冰川末端的冰磧物間,湧進遙遠的江河湖海,成為地球生態永不停歇的一環。而它們的後代更是始終在冰川表面持續演化,隨時都會加入融水,與人相伴相生。

那些生活在冰川腳下的人們,也早已在漫長的歷史進程里,逐漸適應了這些微生物。如果真的存在毒性極強的病原體,人們也早就無法靠近這些冰川了。

兩極冰蓋的情形略有不同。雖然冰蓋也存在從中心向四周、從高處向低處的緩緩流動,使冰蓋也在一定程度上保持新老冰層的“代謝”,但由於冰蓋厚度巨大且年代久遠,在它由小變大、由薄變厚的生長過程中,範圍較小的古代冰蓋被完全覆蓋,成為被深埋數千米冰層下的“時間膠囊”。

格陵蘭島冰蓋剖面的年代分佈圖 | 通過特殊的雷達波探測數據和實際鑽取的冰芯資料,現在已經可以對巨厚冰蓋的內部情況進行探索了,一些更古老的小範圍冰蓋被年輕的大冰蓋覆蓋起來,成為“時間膠囊”。圖源@NASA,引自文獻[17]

但是,數千米厚的冰層不會一夜之間融化,這一過程會持續成百上千年。在這些冰蓋像“剝洋蔥”一般緩緩由外向內融化時,自然界和人類仍然有漫長的時間來進行適應。

從另一個角度,病毒是世界上數量和種類均最多的生物,自然界的病毒種類預計超過百萬種。海洋則是地球上最大的病毒庫,種類預計超過20萬種[18-19],其中絕大多數以各種細菌和真菌為獵殺對象。相比之下,截至2018年,ICTV公佈的第九版《病毒分類》中,人類僅僅識別出5500餘種病毒[20],並對其中2000餘種進行過基因測序分析[21, 6],其中能夠感染人體的,僅有200餘種[22]。

海洋里充滿了我們知之甚少的病毒、細菌和其他微生物,但這也根本不影響人們去熱情擁抱海洋——千百年來的實踐早已告訴人們,下海游泳最大的風險是溺水和遭遇危險海洋動物,而不是被奇奇怪怪的微生物感染——雖然也有少數不幸的例子。

微生物點亮了海岸 | 一些微型浮遊生物產生螢光,點亮夜幕下的海岸帶。圖源@VCG

我們生活在病毒的“海洋”里,並且對它們瞭解不多。它們與其他細胞生物日夜廝殺,土地、江河、海洋、冰雪和我們的身體都是戰場。但這一點也不令人感到擔心,因為病毒本就佔據著生態系統的重要一環:病毒通過專一地殺死特定微生物,能夠有效控製特定微生物的種群規模,將營養物質從微生物體內釋放,保持著整個生態系統的穩定。

這種針對特定宿主的專一性,意味著自然界絕大多數病毒不會感染人類,甚至可以被用於幫助人類消滅引起感染的特定微生物。早在1919年,一些先驅者就將特定噬菌體注射進人體治療細菌性痢疾,並取得成功[23]。在抗生素越發濫用、細菌抗藥性越來越強的當代,噬菌體療法或許能為人類指引一條治療細菌感染的全新道路。

從這個角度來說,從自然界里識別出越來越多的全新病毒,不僅大概率對人體無害,甚至還有潛在的科學價值和醫療價值,未嚐不能夠為我所用。

噬菌體捕捉細菌的藝術圖 | “噬菌體療法”或許是未來對抗細菌感染的一種有趣辦法。圖源@VCG

在瞭解這些事實以後,我們就會發現,來自古裡雅冰川深處的29種古老的未知病毒,其實根本不值一提,甚至還有可能是一個好消息。

這個世界就是這麼奇妙,不是嗎?

03

真正需要擔心的是什麼?

讓古生物學家和病毒學家們去操心遠古病毒的事吧,它們和普通人確實扯不上什麼關係。比起這一點點未知病毒,冰川和冰蓋的過快消融才是人們更應該關注的問題。

它關乎海平面上升,關乎冰川融化產生的洪水和冰崩堰塞湖,關乎冰川融水河流兩岸的生計,關乎凍土融化釋放出更多甲烷,甚至還關乎擾亂極地渦旋(參見我號上篇文章)、寒潮頻率和強度,關乎更熱的夏天和更頻繁的氣象災害。

美國阿拉斯加Muir冰川的退縮前後對比圖 | Muir冰川發生的事情,只是全世界冰凍圈快速消融的縮影。圖源@NASA

但在所有這些之外,全球變暖也正在影響著萬千生靈的生命節奏,甚至可能也包括病毒。長久以來,氣候變化與致病病毒和特定疾病的傳播是否有關、有多大關係、有哪些證據等問題,一直是科學家們討論的熱點。儘管尚存爭議,也缺少足夠的證據,但一些研究正在向我們昭示出不太樂觀的前景[24-26]。

在世界各地,變暖導致大批候鳥的棲息地環境發生快速改變,從而引起遷徙行為發生改變,有機會沾染和傳播更多人禽共染病毒(如多種禽流感),並讓現有共染病毒的傳播範圍變大[27-28]。

丹頂鶴從濕地飛起 | 濕地生態系統是候鳥重要的生存場所,而它也受到氣候變化的顯著影響,這種影響最終會反饋到候鳥的遷徙行為中。圖源@VCG

在熱帶和亞熱帶地區,洪水頻發和多雨天氣,讓湖沼的數量和範圍擴大,為蚊蟲滋生創造條件,大大增加傳播蟲媒病毒的隱患。在我國南方,近年來登革熱的發病便呈回升趨勢[28];在南美洲,寨卡病毒也因蚊子數量劇增而嚴重擴散[29]。

一隻蚊子正在水面上破繭而出 | 安靜的水潭極易滋生蚊子,而蚊子可以傳播多種病毒。圖源@VCG

在這個被全球變暖擾亂的“病毒世界”里,人和動物共染的病毒更加值得引起重視,沉重的現實正在身邊發生,用鮮血換來的教訓必須汲取。作為個體,我們似乎沒法避免全球變暖對動物病毒的傳播產生潛在影響,但至少可以學會善待正在發生變化的野生動物。

捍衛野生動物的生存權利,避免食用野生動物,減少使用非必要的野生動物製品,從根源杜絕病從口入。

如果還有什麼是人類能做到的,便是改變生活習慣,從日常生活里減少對自然環境的衝擊。個體的力量固然微不足道的,但億萬個體彙成的洪流卻能無堅不摧。

從節約一點能源,少購買一個塑料袋,控製一些不必要的消費慾望開始;

從日常生活的每一個細節中,減少點點滴滴的碳排放開始;

並讓它最終去改變這個世界,換回人類世界和野性世界的安寧。

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