翻云覆雨的微生物

劉洋

水是生命之源，“久旱逢甘露”甚至被人們視作人生“四大幸事”之一。但是大自然要把送上云層的水再收回地面并不是一件容易的事。在過去，很多文化中通過舞蹈、獻祭來向上蒼求雨?？梢娙肆υ谧匀粴夂虻拿媲俺３１粍?、無力。但是，如果明白了雨是怎么從天而降的，或許我們就可以在求雨這件事上獲得一定的主動權(quán)。

下雨的奧秘

天上飄搖的一朵朵云彩，既熟悉又神秘?？罩械乃魵饽Y(jié)成為小的水滴或冰晶，聚集在一起就形成了這些看上去綿軟飄忽的云朵。在這一過程中，空氣中一種懸浮的微粒——氣溶膠加速了云的形成。氣溶膠微粒給了水分子以依靠，水分子熱切地聚集在這些氣溶膠之上?？墒?，為什么同樣是云，有些時候降下的是傾盆大雨，有些時候卻一滴也落不下來呢？

歸根到底，這取決于冰的形成。當云中的小液滴凝聚得比較大，大到足夠克服大氣上升氣流的“托力”，這時云就會產(chǎn)生雨或者雪。多數(shù)時候，下降的過程中，水滴會放熱結(jié)冰，而這些冰晶增長的速度比液滴要快得多，也就意味著它們會更快達到可以下降的重量，而不會作為水蒸氣蒸發(fā)消失掉。雖然聽起來可能有點奇怪，可是大氣中純水可以在-40℃的溫度下仍舊以液態(tài)形式存在，所以云中的水滴想要變成冰晶還得借助外力。

這種幫助往往會以“冰核”的形式出現(xiàn)。空氣中的固體顆粒物為周圍的水分子提供了一個聚集的核心，水分子圍繞著這一核心排列成冰晶體的晶格結(jié)構(gòu)。天空中蘊含著豐富的“冰核”顆粒物，來自海洋的鹽和從沙漠風中飄散的礦物粉塵都可以充當這樣的“冰核”。但是這些顆粒在溫度高于-15℃的時候也沒辦法讓水滴結(jié)晶，而半數(shù)從陸地形成的云內(nèi)部溫度都高于這個值，所以一定有別的一些物質(zhì)在幫助這些云完成降水。

“冰核”里的微生物

這些“制冰者”謎一般的身份讓美國植物病理學家戴維·桑茲十分好奇。上世紀70年代，桑茲在研究植物疾病時，收集了云層之上的空氣樣本。通過這次采樣，他不僅明白了麥田疫病的由來，還發(fā)現(xiàn)了下雨的奧秘——下雨是因為云端的微生物引起的。

桑茲在云層之上的空氣樣本中發(fā)現(xiàn)了一種叫做丁香假單胞菌的葉棲細菌。這種細菌能夠在相對溫暖的條件下使水結(jié)冰，成為促使水滴結(jié)冰的催化劑。這也許和它進入植物組織的方式有點關(guān)系：在溫度較高的時候，細菌能夠激發(fā)蛋白質(zhì)“造冰”，尖銳的冰晶穿透植物的葉子，撕開細胞，這樣這些細菌就可以從中取食養(yǎng)分。桑茲猜想，隨水汽飄上云端的丁香假單胞菌催生了云端的雨水。

可是，當時許多大氣科學家對桑茲這種猜想并不認同，他們都更關(guān)注粉塵和煙塵的作用，不愿意去聽一個植物病理學家“班門弄斧”。

聰明的循環(huán)旅途

隨著時間的推移，云層“冰核”中藏有丁香假單胞菌的證據(jù)越來越多，這使得更多的科學家參與到研究中來?？茖W家們開始思考，丁香假單胞菌為什么要飄上云端幫助水分子催化結(jié)冰呢？這對于這些微生物來說有什么意義？

確實，這其中的意義深遠。葉棲微生物漂浮在大氣中，它們成為冰晶的種子，幫助云層成功造雨，這樣一來就能夠隨著雨滴回歸大地，確保自己的生命能夠得到擴散。用雨水將寄主植物打濕，重新回到自己最喜歡的葉子上，這是不是也是一種頗具智慧的循環(huán)旅程呢？大氣就像一個巨大的高速公路系統(tǒng)，這些微生物冰核通過參與冰晶形成，參與降水活動，在循環(huán)系統(tǒng)中高速馳騁，通過這種方式開疆拓土。這是它們從一片葉子走到另一片葉子的必經(jīng)旅途。

丁香假單胞菌在較高溫度下讓水快速結(jié)冰，放在云層里就成了雨水的催化劑，而它們隨著雨水落下，這種能力又能讓它們通過冰晶撕開寄主植物，進入新的家園。它們可能在用這樣的方式運送自己，前往一個新的食物“牧場”，在新的領(lǐng)地上饕餮而食，大快朵頤。

寄主植物在這一活動中也發(fā)揮了一定作用，它為這些乘雨而歸的細菌提供了一個舒適的生存環(huán)境。同時，這些雨水也成為滋潤這些植物的瓊汁玉液，促進植物自身的成長。這種互惠互利的生物合作非常有趣。

更多參與降雨的細菌

天空中實際上充滿了微生物，從云層中收集的數(shù)據(jù)顯示，某些特殊的細菌確實掌握著云層降水的重要開關(guān)。甚至還有跡象顯示，歷史上一些最嚴重的干旱天氣與這些細菌也有很大關(guān)聯(lián)——由于人類破壞了細菌與植物之間的微妙平衡，才造成持續(xù)的干旱。如果我們能夠弄明白這些微生物在濃云之中究竟扮演了怎樣的角色，或許就可以更好地預測天氣，甚至還可以利用這些微生物來實現(xiàn)“呼風喚雨”，為那些焦渴的土地降下甘霖。

除了丁香假單胞菌之外，還有許多其他種類的微生物也經(jīng)常來到高空，對云層的降水有著重要的影響。美國佐治亞理工學院的一個研究小組曾在1萬米高空的空氣樣本里發(fā)現(xiàn)了314種細菌，其中大多數(shù)細菌是活著的。而其他科學家小組通過對高空的云層冰晶進行采樣，分析這些晶體冰核的化學成分，發(fā)現(xiàn)降雨最多的云中大約40%的冰核微粒都是生物微粒。種種證據(jù)表明，微生物在溫度較高的云朵的成冰過程中確實發(fā)揮著重要的作用，就像是成冰的種子。在某些特殊年份以及某些特殊條件下，這些空氣中富集的微生物確實能夠?qū)邓a(chǎn)生顯著的影響。

利用微生物來影響降水

微生物影響到降水，這意味著人類的農(nóng)業(yè)活動也會在不知不覺中嚴重干擾天氣循環(huán)。當農(nóng)民種下一種作物的時候，他們也不可避免地連同作物上攜帶的細菌一同養(yǎng)育。通過大氣循環(huán)，這些密集種植的作物很有可能造成空中冰核的大量富集，最后產(chǎn)生災難性的后果。以20世紀初美國中西部的小麥帶發(fā)展為例，當時種植的植物特別容易受病原真菌影響，感染小麥銹病，可是這種病原真菌恰巧也有冰核的作用。專家推測，當時小麥銹病的流行可能是造成20世紀30年代北美大草原沙塵暴天氣的元兇。隨著犁地這一農(nóng)業(yè)過程，數(shù)百萬的小麥銹病孢子會釋放到空氣中去，在天空中形成太多冰核，相互爭奪水分。結(jié)果每一個冰核都難以成長到足以形成降水那么大，所以才產(chǎn)生當時持續(xù)了較長時間的干旱氣候——太多的冰核，造成了云朵的“便秘”。

當然，一旦我們認識到了微生物在降水中的作用，我們也可以利用微生物來調(diào)控天氣。我們可以有選擇的培育某些植物，讓成冰微生物能有一個適宜的環(huán)境生長發(fā)展，通過這種方式能夠幫助區(qū)域環(huán)境形成降水。

各國科學家通過相互合作，分析了25種類型的小麥，找到了一種特殊的小麥，它不會受到丁香假單胞菌菌株影響。研究人員種植了這種非致病性的小麥品種，發(fā)現(xiàn)確實能夠增加區(qū)域降水量。最終，種子公司可能會推廣這種小麥品種，農(nóng)戶可以通過向這種小麥上噴灑丁香假單胞菌菌株來改善當?shù)馗珊登闆r。endprint