自然科普：氣候變暖或喚醒極地凍土里的致命病毒

　　南北兩極的冰天雪地，除了有美景和可愛動物，還是一個失落的古代世界：致命病毒、大量的汞和溫室氣體都冰封于此。

 

　　撰文｜祝葉華

 

　　當人們的注意力集中在肆虐于多國的新冠病毒疫情時，另一場值得防范的危險也在悄悄積聚。2月9日，南極西摩島監(jiān)測到20.75℃的高溫（目前世界氣象組織已經(jīng)開始對南極監(jiān)測到的高溫記錄正式進行評估）。1月7日一篇發(fā)表在bioRxiv的論文則顯示，美國科學家在青藏高原冰核樣本中發(fā)現(xiàn)了古老病毒存在的證據(jù)，其中包含28種新病毒。

 

　　極地冰原就像來自遙遠過去的時間膠囊,讓人類有機會得以一窺被困在那里的生物體。但隨著地球穩(wěn)步進入更溫暖的未來，極地的冰川凍土正面臨著更大的融化風險，某些潛伏在冰層中的致命病菌，也許正伺機而動，待時機成熟時殺人類一個“回馬槍”。

 

　　永久凍土并不“永久”

 

　　永久凍土主要存在于北半球，在那里它覆蓋了大約四分之一的無冰土地，數(shù)千年來，這里的大部分土地都是由泥土、巖石和冰構成的膠結體，還有一些在深度凍結中保存下來的有機物。它覆蓋了北極圈和北方森林之間的一大片地帶，橫跨阿拉斯加、加拿大、北歐和俄羅斯。南半球的凍土層較少，主要存在于南美洲的安第斯山脈和南極洲下，深度從幾米到100多米不等。

 

　　永久凍土分為上下兩層：上層每年夏季融化，冬季凍結，稱活躍層（又稱冰融層）；下層常年處在凍結狀態(tài)，稱永凍層或多年凍層。永凍層寒冷、黑暗、無氧，pH值是中性的，對于那些不需要任何新陳代謝活動的生物來說，這是最好的生存環(huán)境。這意味著凍結在休眠狀態(tài)的微生物、種子和孢子可能會隨著溫度的升高而蘇醒。

 

　　隨著全球氣候變暖的不斷加劇，南北極在加速變暖，北極變暖速度更是全球平均水平的兩倍，長此以往持續(xù)下去，永凍層常年凍結的狀態(tài)就有可能被打破。2016年，北極融水滲入了距離北極點約1000公里的挪威斯瓦爾巴群島的一處山洞中。這里是世界末日種子庫，數(shù)以百萬計收集到的種子被無限期地凍結在此，這是人類在全球農(nóng)作物因大災難而規(guī)模性損失的情況下重啟農(nóng)業(yè)的一種保障。好在這一次滲入的融水在到達種子庫之前就重新結冰了，并未破壞冰凍儲藏的種子，最終虛驚一場，不過還是給世人敲響了氣候變暖的警鐘[1]。

 

　　等待蘇醒的病毒

 

　　20世紀初，在西伯利亞暴發(fā)的炭疽熱曾導致約150萬頭馴鹿死亡。這些動物，連同受感染的牛，都埋在永久凍土層的活躍層中。當溫度升高時，尸體會釋放炭疽孢子，這些孢子很容易被重新激活成為感染性細菌。2016年西伯利亞暴發(fā)的炭疽熱導致一名12歲男孩死亡，數(shù)十人住院治療，2000多頭馴鹿死亡?？茖W家推斷，這次感染的暴發(fā)或許可以追溯到一具古老的馴鹿尸體，它是在有記錄以來最溫暖的北極夏季從永久凍土層中融化出來的[2]。

 

　　冰封在西伯利亞凍土內的病毒并不只有炭疽孢子，被人熟知的天花和流感病毒可能也埋藏在這里。1918年-1919年，西班牙流感曾造成全球5000萬到1億人死亡，作為人類歷史上單位時間死亡人數(shù)最多的一場瘟疫，西班牙流感在重創(chuàng)人類世界之后，病毒神奇消失，逃得無影無蹤。直到20世紀90年代末期，科學家才成功地從阿拉斯加冰凍的因大流感死亡的人類尸體上獲得了西班牙流感病毒。最終通過基因測序，人們第一次知道了這到底是一種什么病毒。

 

　　2012年，俄羅斯科學家成功“復活”了3萬年前的遠古植物(名為Silene stenophylla)，這些標本是從俄羅斯東北部永久凍土層125英尺深的古松鼠洞穴中找到的。在營養(yǎng)豐富的試管中，被冷凍了300個世紀的幼苗恢復了正常的生命活動，它們在塑料罐里和土壤里生長，開花結果。不僅如此，2014年和2015年，法國科學家還從這個古松鼠洞穴的沉積物中發(fā)現(xiàn)了另外兩種尚能存活的兩種3萬年前的史前病毒——Pithovirus sibericum和Mollivirus sibericum。它們可以用光學顯微鏡觀察到，長度超過0.5微米，所以也被稱為“巨型病毒”。在確定復活這些病毒不會對動物或人類構成威脅之后，研究人員在實驗室培養(yǎng)皿中“喚醒”了它們。這兩種病毒會感染并殺死阿米巴原蟲，它們在史前永久凍土層中保持傳染性的事實引起了關注[3-4]。

 

　　不過，科學家推測，即便沒有全球變暖，冰凍的病毒也有可能在幾個世紀后重新回到環(huán)境中。北極湖泊因自然規(guī)律而固有的周期性融化會釋放出之前被凍結的病毒，它們會被候鳥帶走或隨融水進入海洋中，傳播到人類居住的地方。最近，加利福尼亞大學戴維斯分校的一項研究顯示，北極海冰的減少會加速傳播一種可能威脅北太平洋海洋哺乳動物的致命病毒Phocine distemper virus(PDV)。PDV是一種已知的致病菌，在某些海豹種群中已經(jīng)存在了幾十年。自1988年以來，PDV已經(jīng)引發(fā)了幾起涉及數(shù)萬只動物的大規(guī)模死亡事件。研究人員研究了2001-2016年的追蹤數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星追蹤了不同地區(qū)的2500只海洋哺乳動物，以確定PDV的上升是否與海冰的減少有關系。其中有一個典型案例：2002年8月，海冰融化量達到了創(chuàng)紀錄的水平，隨后在2003年和2004年，北太平洋的Steller海獅暴發(fā)了大規(guī)模的PDV接觸和感染，科學家們認為冰川融化可能是罪魁禍首。這項歷時15年的研究結果強調了往日海冰的徹底重塑可能為北極和亞北極海豹之間的接觸開辟了道路，這使得病毒得以進入北太平洋[5]。

 

　　冰下還潛伏著什么？

 

　　古代動植物的遺骸一直長眠于凍土中，融化的永久凍土將使長期凍結的有機物被土壤微生物分解，從而釋放溫室氣體，這是一個潛在的重要的溫室氣體排放源。

 

　　科學家們很早就知道，永久凍土所含的碳幾乎是大氣的兩倍——其中一大部分是腐爛的古代植物和動物的遺骸帶來的，隨著凍土解凍，會有大量二氧化碳和甲烷慢慢釋放出來。雖然隨著氣溫的升高，北極植被的綠化率提高，部分二氧化碳會被植物吸收，但最近一項研究顯示，凍土變暖釋放出的溫室氣體比以前想象的多得多。這個過程被稱為“突然解凍”，雖然可能只會影響北極永久凍土層5%的面積，但科學家保守估計，這或許足以使永久凍土層對全球變暖的總體貢獻增加一倍[6]。凍土融化-釋放溫室氣體-氣溫升高-凍土融化，這個潛在的惡性循環(huán)正在發(fā)生。

 

　　當然，永凍層排放的溫室氣體仍然比我們燃燒煤炭、石油和天然氣排放的要少。也有專家提出，并不是所有的碳都會直接轉化為溫室氣體。但任何數(shù)量的排放都將加速永久凍土層的融化。到目前為止，凍土層的融化預計將使人為造成的氣候變化擴大10%左右。除了這個不可估算的數(shù)量，很難預測永久凍土層還會解凍多少——主要是因為這取決于人類的決定[7-8]。

 

　　除了加劇氣候變暖的碳，北極永久凍土也是地球上最大的汞儲存庫?？茖W家們現(xiàn)在認為，永久凍土中冰封的汞幾乎是土壤、海洋和大氣中汞含量總和的兩倍。重金屬（特別是汞）以及其他目前儲存在冰川和永久凍土層中的遺留污染物的釋放，將降低淡水生物群賴以生存的水質?？茖W家們不知道這種汞會釋放多少，何時釋放，但他們確實知道：持續(xù)的融化使汞更有可能被釋放，污染海洋，并在食物鏈中積累[9]。

 

　　極地冰雪不但禁錮著危險，也保存了兩極地區(qū)的古代動物遺跡和人類歷史。5000年前去世的冰人奧茨的尸體就很好地保存在阿爾卑斯山中。冰使得他的尸體不致腐爛，這樣人類才得以窺探他曾經(jīng)生活的軌跡。另外，北極可能還有其他的水獺或尚未被發(fā)現(xiàn)的猛犸象的DNA。冰川的融化會加重這些寶藏暫時脫離冰層，甚至是被摧毀的風險。這對人類了解地球歷史而言，將是巨大的損失。

 

　　參考文獻

 

　　[1] https://weather.com/news/news/svalbard-doomsday-vault-flooded-permafrost-melt.

 

　　[2] https://secretsoftheice.com/news/2017/03/09/virus-microbes-ice/.

 

　　[3] Yashina et al. March 6, 2012. 109 (10) 4008-4013.

 

　　[4] https://www.pnas.org/content/early/2015/09/02/1510795112.abstract.

 

　　[5] E. VanWormer, J. A. K. Mazet, A. Hall, et al. Viral emergence in marine mammals in the North Pacific may be linked to Arctic sea ice reduction. Scientific Reports, 2019 DOI: 10.1038/s41598-019-51699-4.

 

　　[6] Merritt R. Turetsky, Benjamin W. Abbott, Miriam C. Jones, et al. Carbon release through abrupt permafrost thaw[J]. Nature Geoscience, 2020, ttps://doi.org/10.1038/s41561-019-0526-0.

 

　　[7] https://www.nationalgeographic.com/science/2020/02/arctic-thawing-ground-releasing-shocking-amount-dangerous-gases/.

 

　　[8] https://www.discovermagazine.com/the-sciences/artic-meltdown-were-already-feeling-the-consequences-of-thawing-permafrost.

 

　　[9] Paul F. Schuster et al, Permafrost Stores a Globally Significant Amount of Mercury, Geophysical Research Letters (2018). DOI: 10.1002/2017GL075571.