冰下危機(jī)：潛伏于凍土中的遠(yuǎn)古病菌復(fù)蘇

蔡立英/編譯

冰下危機(jī)：潛伏于凍土中的遠(yuǎn)古病菌復(fù)蘇

蔡立英/編譯

遷徙的馴鹿

● 隨著全球氣候變暖，冰封于冰層和永久凍土之下長(zhǎng)達(dá)數(shù)世紀(jì)的長(zhǎng)期蟄伏的細(xì)菌和病毒開始復(fù)蘇。

縱觀歷史，人類與細(xì)菌和病毒一直并存。從瘟疫到天花，為了抵御它們，我們一直在進(jìn)化，而它們也相應(yīng)地演化出感染我們的新方法。

自從亞歷山大·弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素以來(lái)，我們擁有抗生素已有近100年的時(shí)間。作為回應(yīng)，細(xì)菌也不斷產(chǎn)生抗生素的耐藥性。這場(chǎng)戰(zhàn)役永無(wú)止境：因?yàn)槲覀兣c病原體共同生存的時(shí)間太長(zhǎng)，有時(shí)會(huì)形成一種自然的僵局。

然而，如果我們突然暴露于已消失成千上萬(wàn)年或是我們從未遇到過(guò)的致命細(xì)菌和病毒前，將會(huì)發(fā)生什么情況呢？

我們可能很快就會(huì)看到這個(gè)假設(shè)變成現(xiàn)實(shí)。氣候變化正在融化已冰凍成千上萬(wàn)年的永久凍土，隨著土壤的融化，它們將會(huì)釋放出蟄伏多年的古老病毒和細(xì)菌，這些病毒和細(xì)菌正在恢復(fù)生命力。

2016年8月，在西伯利亞凍原的偏遠(yuǎn)一隅——北極圈內(nèi)的亞馬爾半島上，1名12歲的男孩因感染炭疽死亡，至少有20人也因此住院治療。

此次炭疽疫情暴發(fā)的前因后果是，大約75年前，一頭馴鹿死于炭疽感染，其冰凍的尸體封存在被稱為“永久凍土”的一層凍土之下。此后，馴鹿的尸體一直封凍在那里，直到2016年夏天的一波熱浪襲擊了這里，最終導(dǎo)致永久凍土的解凍。

永久凍土的解凍導(dǎo)致馴鹿的尸體暴露出來(lái)，并將具有感染性的炭疽菌釋放到附近的水體和土壤中，然后進(jìn)入食物供應(yīng)鏈。附近放牧的2 000多頭馴鹿被感染，然后引發(fā)了小部分人類的感染。

科學(xué)家擔(dān)心，這不會(huì)是一個(gè)孤立的個(gè)案。隨著地球變暖，更多的永久凍土將融化。正常情況下，表層深度在50厘米以下的永久凍土層每年夏季都會(huì)融化。但是現(xiàn)在，全球變暖逐漸使更深的永久凍土層暴露出來(lái)。

處于冰凍狀態(tài)的永久凍土是細(xì)菌長(zhǎng)期保持活性的完美溫床，細(xì)菌有可能存活長(zhǎng)達(dá)100萬(wàn)年。這意味著永久凍土中冰層的融化可能會(huì)打開疾病的潘多拉魔盒。

北極圈的氣溫正在快速上升，其升溫速度比世界上其他地方大約快3倍。隨著冰層和永久凍土的融化，其他感染性病原體可能會(huì)被釋放出來(lái)。

“永久凍土是微生物和病毒非常好的保護(hù)者，因?yàn)樗鼫囟群艿?，沒(méi)有氧氣，而且處于黑暗中，”法國(guó)艾克斯-馬賽大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家讓-米歇爾·克拉弗里（Jean-Michel Claverie）指出，“能感染人類或動(dòng)物的致病性病毒可能保存于古老的永久凍土層中，甚至包括過(guò)去曾導(dǎo)致全球性傳染病的惡性病菌?！?/p>

在南極的冰層中發(fā)現(xiàn)了蟄伏的細(xì)菌

僅在20世紀(jì)初，超過(guò)100萬(wàn)頭馴鹿死于炭疽病。當(dāng)時(shí)挖深坑埋尸體并不是一件容易的事，所以這些馴鹿的尸體大部分就掩埋在地表附近，分散于俄羅斯北部的7 000個(gè)埋葬地中。

但是，最大的恐懼是凍土之下潛伏著什么。

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，不斷有人類和動(dòng)物的尸體埋藏在永久凍土中，所以可以想象永久凍土可能釋放出其他傳染性病原體。例如，科學(xué)家在阿拉斯加苔原的大型墓地挖掘出的幾具尸體上，發(fā)現(xiàn)了完好無(wú)損的、曾經(jīng)橫掃歐洲的1918年西班牙流感病毒。天花和黑死病的病原體也有可能埋藏于西伯利亞的永久凍土中。

在2011年的一項(xiàng)研究中，鮑里斯·雷維奇（Boris Revich）和瑪麗娜·波多納亞（Marina Podolnaya）預(yù)測(cè)：永久凍土融化的一個(gè)后果是，18世紀(jì)和19世紀(jì)致命的感染性媒介可能會(huì)卷土重來(lái)，尤其是在埋葬了這些傳染病受害者的墓地附近。

例如，在19世紀(jì)90年代，西伯利亞曾爆發(fā)過(guò)一次嚴(yán)重的天花疫情，一個(gè)小鎮(zhèn)因此失去了40%的人口，他們的尸體埋葬于科雷馬河河畔永久凍土的表層之下。120年后，科雷馬河的洪水開始侵蝕河岸，而永久凍土的融化加速了這個(gè)侵蝕過(guò)程。

在20世紀(jì)90年代啟動(dòng)的一個(gè)研究項(xiàng)目中，來(lái)自俄羅斯新西伯利亞的病毒學(xué)和生物技術(shù)國(guó)家研究中心的科學(xué)家化驗(yàn)了石器時(shí)代的古人類遺骸，它們是在西伯利亞南部的阿爾泰山地區(qū)發(fā)現(xiàn)的。他們還化驗(yàn)了19世紀(jì)病毒流行期間死亡的男子尸體樣本，這些尸體是從俄羅斯永久凍土中挖掘出來(lái)的。研究人員稱，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些尸體具有患天花后留下的癥狀。雖然他們沒(méi)有找到天花病毒本身，但他們已經(jīng)檢測(cè)到天花病毒的DNA片段。

在2005年的一項(xiàng)研究中，美國(guó)宇航局（NASA）的科學(xué)家們成功復(fù)活了封存在阿拉斯加一個(gè)冰凍池塘中長(zhǎng)達(dá)3.2萬(wàn)年的細(xì)菌。這種叫作 “肉芽孢桿菌”（Carnobacterium pleistocenium）的微生物自更新世以來(lái)就一直被封凍，當(dāng)時(shí)毛茸茸的猛犸象仍然在地球上漫游。一旦冰層融化，肉芽孢桿菌就開始四處游動(dòng)，似乎未受冰凍的影響。而一旦它們復(fù)活，病毒就迅速開始具有傳染性。兩年后，科學(xué)家們成功復(fù)活了在冰下蟄伏長(zhǎng)達(dá)800萬(wàn)年的細(xì)菌，這些細(xì)菌休眠于南極一處冰川下面的冰層中。在同一項(xiàng)研究中，科學(xué)家還復(fù)活了從已存在 10萬(wàn)年的冰層中采集到的細(xì)菌。

但是，并不是所有冰凍在永久凍土之下的細(xì)菌都可以復(fù)活。炭疽桿菌之所以能做到，是因?yàn)樗鼈兡墚a(chǎn)生孢子，孢子生命力頑強(qiáng)，可以在冰凍狀態(tài)下存活超過(guò)一個(gè)世紀(jì)以上。

可以產(chǎn)生孢子的其他細(xì)菌也因此能在永久凍土中存活，包括破傷風(fēng)菌和肉毒桿菌。肉毒是一種能導(dǎo)致癱瘓甚至致命的罕見病，肉毒桿菌是產(chǎn)生肉毒的病原體。此外，一些真菌和病毒也能在永久凍土中長(zhǎng)期生存。

在2014年的一項(xiàng)研究中，克拉弗里領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)復(fù)活了被封存在西伯利亞永久凍土中長(zhǎng)達(dá)3萬(wàn)年的兩種病毒——西伯利亞闊口罐病毒和西伯利亞軟體病毒，它們都是“巨型病毒”，因?yàn)椴幌翊蠖鄶?shù)的普通病毒，它們的體型相對(duì)“巨大”，利用常規(guī)顯微鏡就能觀察到。它們是在西伯利亞沿海的苔原帶凍原地下100英尺（約30.48米）處被發(fā)現(xiàn)的。

一旦它們復(fù)活，這些病毒就迅速變得具有傳染性。幸運(yùn)的是，這些特殊的病毒只感染單細(xì)胞的變形蟲。不過(guò)，該研究仍然表明，真正可以感染人類的其他古老病毒可能會(huì)以同樣的方式復(fù)活。

更重要的是，全球變暖并不一定直接通過(guò)融化永久凍土對(duì)人類構(gòu)成威脅。因?yàn)楸睒O的海冰正在融化，西伯利亞北海岸已變得更容易從海路抵達(dá)。因此，包括采礦和石油天然氣鉆探等在內(nèi)的工業(yè)開發(fā)正從中獲利。

“目前，這些地區(qū)是荒蕪的，深層的永久凍土層還未受干擾，”克拉弗里指出，“但是，這些古老的凍土層可能因人類采礦和鉆井作業(yè)所需要的挖掘而暴露出來(lái)。如果能成活的病毒粒子還潛藏在凍土層中，可能會(huì)給人類帶來(lái)災(zāi)難?！?/p>

關(guān)于碰撞檢測(cè)時(shí)間的計(jì)算，考慮[t0，t1]∈[t0，t0+1]在小范圍內(nèi)處理。被測(cè)物體A和B間做連續(xù)時(shí)間的接近運(yùn)動(dòng)（此時(shí)兩者均已分割成三角形元素），在[t0，t0+Δt]∈[t0，t0+1]，在 Δt運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，物體 A 正在以某一方向向B靠近，具有線性運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可考慮運(yùn)動(dòng)方程有 μtΔt≤d（A（t），B）的關(guān)系，d（A（t），B）為物體A與B之間的距離，μt為閾值。因考慮時(shí)空相關(guān)性理論，前提考慮兩物體已經(jīng)發(fā)生碰撞，標(biāo)記節(jié)點(diǎn)并記錄時(shí)間，可以減少部分時(shí)間計(jì)算，考慮回退技術(shù)的應(yīng)用[9]，在時(shí)間段[t0，t1]∈[t0，t0+1]中，通過(guò)時(shí)間Δt進(jìn)行時(shí)間區(qū)間分段：

倘若任何此類病毒真的爆發(fā)，那么最有可能的罪魁禍?zhǔn)资蔷扌筒《尽?/p>

“因?yàn)楣庹?、脫水或自發(fā)的生化降解，大多數(shù)病毒在宿主細(xì)胞外就迅速失去活力，”克拉弗里說(shuō)道，“例如，如果它們的DNA受損至無(wú)法修復(fù)，其病毒粒子將不再具有傳染性。但在已知的病毒中，巨型病毒往往生命力非常頑強(qiáng)，幾乎不可能被破壞?！?/p>

克拉弗里指出，曾出現(xiàn)于最早居住在北極的古人類的病毒可能會(huì)再次出現(xiàn)。我們甚至能看到那些來(lái)自早已滅絕的古人類種群的病毒，比如尼安德特人和丹尼索瓦人，他們都曾在西伯利亞定居過(guò)，并飽受各種病毒性疾病的困擾。科學(xué)家已在俄羅斯陸續(xù)發(fā)現(xiàn)距今3萬(wàn)～4萬(wàn)年前的尼安德特人的遺骸，數(shù)千年前，人類曾在那里居住，生老病死。

克拉弗里說(shuō)：“我們能從早已滅絕的尼安德特人的遺骸中采集到病毒，這種可能性表明，一種病毒能從地球上‘根除’的想法是錯(cuò)誤的，這種想法給我們一種虛假的安全感。這就是我們要維持疫苗庫(kù)存的原因，僅僅是以防萬(wàn)一?！?/p>

自2014年以來(lái)，克拉弗里一直在分析永久凍土層的DNA含量，尋找可能感染人類的病毒和細(xì)菌的遺傳特征。他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多種細(xì)菌很可能對(duì)人類產(chǎn)生威脅的證據(jù)。這些細(xì)菌擁有的DNA能對(duì)毒性因子進(jìn)行編碼，毒性因子是致病細(xì)菌和病毒產(chǎn)生的分子，能增強(qiáng)其感染宿主的能力。

尼安德特人曾在西伯利亞生活過(guò)

克拉弗里的研究團(tuán)隊(duì)還從永久凍土中發(fā)現(xiàn)了一些似乎來(lái)自病毒的DNA序列，其中包括皰疹病毒。但是，他們尚未發(fā)現(xiàn)任何天花病毒的蹤跡。由于顯而易見的原因，他們沒(méi)有嘗試去復(fù)活任何一種病原體。

現(xiàn)在看來(lái)，似乎從人類身上斷絕的病原體也將從其他地方出現(xiàn)，而不只是從冰層或永久凍土中。

2017年2月，NASA的科學(xué)家宣布，他們?cè)谀鞲缫粋€(gè)礦井的水晶中發(fā)現(xiàn)了存活1萬(wàn)～5萬(wàn)年的微生物。

這些細(xì)菌存在于奈卡水晶洞中，它是墨西哥北部小鎮(zhèn)奈卡一座礦山的一部分。這個(gè)水晶洞中蘊(yùn)藏大量的乳白色晶體——透明石膏（亞硒酸鹽晶體礦物），是歷經(jīng)數(shù)十萬(wàn)年而逐漸形成的。

這些細(xì)菌被困在晶體內(nèi)微小的液泡中，但一旦被提取出來(lái)，它們就會(huì)復(fù)活并開始繁殖。這些微生物在遺傳上是獨(dú)一無(wú)二的，它們可能是新物種，但是研究人員尚未發(fā)布其研究成果。

科學(xué)家在美國(guó)新墨西哥州地下1 000英尺（約304.8米）的龍舌蘭洞穴中發(fā)現(xiàn)了更古老的細(xì)菌。這些微生物在不見天日的地下存活了400萬(wàn)年之久。

龍舌蘭洞穴從來(lái)不見天日，與世隔絕，地表上的水滲入洞穴內(nèi)需要大約1萬(wàn)年的時(shí)間。

盡管如此，龍舌蘭洞穴中的細(xì)菌不知如何竟然已對(duì)18種抗生素產(chǎn)生耐藥性，包括被認(rèn)為是抗擊感染“最后一招”的藥物。在2016年12月發(fā)表的一項(xiàng)研究報(bào)告中，研究人員發(fā)現(xiàn)，這種被稱為“類芽孢桿菌LC231”的細(xì)菌，對(duì)70%的抗生素具有耐藥性，而且能讓其中很多抗生素完全失去活性。

由于這些細(xì)菌在洞穴中與世隔絕的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)400萬(wàn)年，所以它們從未與人類或是用于治療人類感染的抗生素藥物接觸過(guò)，這意味著其抗生素耐藥性必定是通過(guò)其他途徑產(chǎn)生的。

左上：墨西哥奈卡水晶洞中的水晶；左下：龍舌蘭洞穴中的透明石膏晶體；右上：青藏高原的永久凍土；右下：西伯利亞的永久凍土

參與該項(xiàng)研究的科學(xué)家認(rèn)為，這些細(xì)菌對(duì)人類沒(méi)有危害，是那些自然進(jìn)化出抗生素耐藥性的很多種細(xì)菌中的一種。這表明，細(xì)菌的抗生素耐藥性存在的時(shí)間已長(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬(wàn)年乃至數(shù)十億年之久。

顯然，如此古老的抗生素耐藥性不可能是因?yàn)樵谂R床上使用抗生素而形成的。

原因是很多種類的真菌，甚至其他細(xì)菌，會(huì)自然產(chǎn)生對(duì)抗生素的抵抗力，從而獲得勝過(guò)其他微生物的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。弗萊明最早就是這樣發(fā)現(xiàn)青霉素的：當(dāng)培養(yǎng)皿中的細(xì)菌被一種能分泌抗生素的霉菌污染后，培養(yǎng)皿中的細(xì)菌都死了。

在那些缺乏食物的洞穴中，生物要想生存下去，就必須殘忍無(wú)情。像“類芽孢桿菌LC231”這樣的細(xì)菌，可能不得不進(jìn)化出抗生素耐藥性，以避免被對(duì)手生物殺死。

這可能解釋為什么這些細(xì)菌只對(duì)來(lái)自細(xì)菌和真菌的天然抗生素產(chǎn)生耐藥性，這種抗生素在我們?nèi)粘Ｊ褂玫乃锌股刂姓紦?jù)大約99.9%的比例。這些細(xì)菌從未遇到過(guò)人造抗生素，所以對(duì)人造抗生素并沒(méi)有產(chǎn)生耐藥性。負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的美國(guó)俄亥俄州阿克倫大學(xué)微生物學(xué)家黑澤爾·巴頓（Hazel Barton）指出：“我們的研究工作和其他人的研究工作表明，抗生素耐藥性并非一個(gè)新概念，我們發(fā)現(xiàn)的生物與地表生物隔絕了400萬(wàn)～700萬(wàn)年，但它們的抗生素耐藥性在遺傳學(xué)上是相似的。這意味著這些抗生素耐藥性的基因至少存在了400萬(wàn)～700萬(wàn)年，而不是人類用抗生素治療疾病才產(chǎn)生的。”盡管“類芽孢桿菌 LC231”本身對(duì)人類無(wú)害，但理論上它能把其抗生素耐藥性傳給其他病原體。然而，由于它被隔絕在地下400米深的洞穴中，這種事情似乎是不太可能發(fā)生的。

不過(guò)，天然的抗生素耐藥性在微生物中很可能非常普遍，從融化的永久凍土中出現(xiàn)的很多細(xì)菌可能已經(jīng)具有抗生素耐藥性。與此推斷一致的是，在2011年的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家在俄羅斯與加拿大之間的白令海地區(qū)發(fā)現(xiàn)了在永久凍土中潛伏了3萬(wàn)年的細(xì)菌，并提取了其DNA。他們發(fā)現(xiàn)其基因編碼了對(duì)β-內(nèi)酰胺、四環(huán)素和糖肽抗生素具有耐藥性。

對(duì)于這一切，我們應(yīng)該感到幾分擔(dān)憂？

有一種論點(diǎn)認(rèn)為，永久凍土中的病原體造成的危險(xiǎn)本質(zhì)上是不可知的，所以我們不應(yīng)該刻意為此擔(dān)憂。相反，我們應(yīng)該專注于氣候變化方面更為明確的威脅。例如，隨著地球變暖，北半球國(guó)家將變得更容易發(fā)生通常在南半球國(guó)家才出現(xiàn)的疾病，比如瘧疾、霍亂和登革熱，因?yàn)檫@些病原體在更高的氣溫下會(huì)茁壯成長(zhǎng)。

另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，我們不應(yīng)該忽視永久凍土中的病原體帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槲覀儫o(wú)法對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化。

“根據(jù)我們以及其他人的研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，永久凍土中的致病性微生物復(fù)活并感染人類的可能性并非為零，”克拉弗里指出，“這種可能性具體有多大還不知道，但確實(shí)有這種可能。它們有可能是用抗生素能醫(yī)治的細(xì)菌，也可能是具有抗生素耐藥性的細(xì)菌或病毒。如果病原體與人類已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間未接觸，那么，我們的免疫系統(tǒng)還沒(méi)有做好抵御這種病原體的準(zhǔn)備。所以，這就可能存在危險(xiǎn)。”

[資料來(lái)源：BBC][責(zé)任編輯：松 石]

本文作者賈斯明·?？怂?斯凱利（Jasmin Fox-Skelly）是英國(guó)著名的自由科學(xué)作家，擁有神經(jīng)科學(xué)學(xué)士學(xué)位和科學(xué)傳播碩士學(xué)位，主要關(guān)注新科學(xué)和天文學(xué)。