蔡立英/編譯

冰下危機：潛伏于凍土中的遠古病菌復蘇

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達數(shù)世紀的長期蟄伏的細菌和病毒開始復蘇。

縱觀歷史，人類與細菌和病毒一直并存。從瘟疫到天花，為了抵御它們，我們一直在進化，而它們也相應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，我們擁有抗生素已有近100年的時間。作為回應，細菌也不斷產(chǎn)生抗生素的耐藥性。這場戰(zhàn)役永無止境：因為我們與病原體共同生存的時間太長，有時會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年或是我們從未遇到過的致命細菌和病毒前，將會發(fā)生什么情況呢？

我們可能很快就會看到這個假設變成現(xiàn)實。氣候變化正在融化已冰凍成千上萬年的永久凍土，隨著土壤的融化，它們將會釋放出蟄伏多年的古老病毒和細菌，這些病毒和細菌正在恢復生命力。

2016年8月，在西伯利亞凍原的偏遠一隅——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，最終導致永久凍土的解凍。

永久凍土的解凍導致馴鹿的尸體暴露出來，并將具有感染性的炭疽菌釋放到附近的水體和土壤中，然后進入食物供應鏈。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。

科學家擔心，這不會是一個孤立的個案。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。

處于冰凍狀態(tài)的永久凍土是細菌長期保持活性的完美溫床，細菌有可能存活長達100萬年。這意味著永久凍土中冰層的融化可能會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被釋放出來。

“永久凍土是微生物和病毒非常好的保護者，因為它溫度很低，沒有氧氣，而且處于黑暗中，”法國艾克斯-馬賽大學的進化生物學家讓-米歇爾·克拉弗里（Jean-Michel Claverie）指出，“能感染人類或動物的致病性病毒可能保存于古老的永久凍土層中，甚至包括過去曾導致全球性傳染病的惡性病菌。”

在南極的冰層中發(fā)現(xiàn)了蟄伏的細菌

僅在20世紀初，超過100萬頭馴鹿死于炭疽病。當時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個埋葬地中。

但是，最大的恐懼是凍土之下潛伏著什么。

幾個世紀以來，不斷有人類和動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年的一項研究中，鮑里斯·雷維奇（Boris Revich）和瑪麗娜·波多納亞（Marina Podolnaya）預測：永久凍土融化的一個后果是，18世紀和19世紀致命的感染性媒介可能會卷土重來，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90年代，西伯利亞曾爆發(fā)過一次嚴重的天花疫情，一個小鎮(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侵蝕過程。

在20世紀90年代啟動的一個研究項目中，來自俄羅斯新西伯利亞的病毒學和生物技術國家研究中心的科學家化驗了石器時代的古人類遺骸，它們是在西伯利亞南部的阿爾泰山地區(qū)發(fā)現(xiàn)的。他們還化驗了19世紀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。雖然他們沒有找到天花病毒本身，但他們已經(jīng)檢測到天花病毒的DNA片段。

在2005年的一項研究中，美國宇航局（NASA）的科學家們成功復活了封存在阿拉斯加一個冰凍池塘中長達3.2萬年的細菌。這種叫作 “肉芽孢桿菌”（Carnobacterium pleistocenium）的微生物自更新世以來就一直被封凍，當時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，似乎未受冰凍的影響。而一旦它們復活，病毒就迅速開始具有傳染性。兩年后，科學家們成功復活了在冰下蟄伏長達800萬年的細菌，這些細菌休眠于南極一處冰川下面的冰層中。在同一項研究中，科學家還復活了從已存在 10萬年的冰層中采集到的細菌。

但是，并不是所有冰凍在永久凍土之下的細菌都可以復活。炭疽桿菌之所以能做到，是因為它們能產(chǎn)生孢子，孢子生命力頑強，可以在冰凍狀態(tài)下存活超過一個世紀以上。

可以產(chǎn)生孢子的其他細菌也因此能在永久凍土中存活，包括破傷風菌和肉毒桿菌。肉毒是一種能導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期生存。

在2014年的一項研究中，克拉弗里領導的一個研究團隊復活了被封存在西伯利亞永久凍土中長達3萬年的兩種病毒——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”，因為不像大多數(shù)的普通病毒，它們的體型相對“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。

一旦它們復活，這些病毒就迅速變得具有傳染性。幸運的是，這些特殊的病毒只感染單細胞的變形蟲。不過，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以同樣的方式復活。

更重要的是，全球變暖并不一定直接通過融化永久凍土對人類構成威脅。因為北極的海冰正在融化，西伯利亞北海岸已變得更容易從海路抵達。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。如果能成活的病毒粒子還潛藏在凍土層中，可能會給人類帶來災難?！?/p>

關于碰撞檢測時間的計算，考慮[t0，t1]∈[t0，t0+1]在小范圍內(nèi)處理。被測物體A和B間做連續(xù)時間的接近運動（此時兩者均已分割成三角形元素），在[t0，t0+Δt]∈[t0，t0+1]，在 Δt運動過程中，物體 A 正在以某一方向向B靠近，具有線性運動規(guī)律，可考慮運動方程有 μtΔt≤d（A（t），B）的關系，d（A（t），B）為物體A與B之間的距離，μt為閾值。因考慮時空相關性理論，前提考慮兩物體已經(jīng)發(fā)生碰撞，標記節(jié)點并記錄時間，可以減少部分時間計算，考慮回退技術的應用[9]，在時間段[t0，t1]∈[t0，t0+1]中，通過時間Δt進行時間區(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首是巨型病毒。

“因為光照、脫水或自發(fā)的生化降解，大多數(shù)病毒在宿主細胞外就迅速失去活力，”克拉弗里說道，“例如，如果它們的DNA受損至無法修復，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，幾乎不可能被破壞。”

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再次出現(xiàn)。我們甚至能看到那些來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，并飽受各種病毒性疾病的困擾?？茖W家已在俄羅斯陸續(xù)發(fā)現(xiàn)距今3萬～4萬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：“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存的原因，僅僅是以防萬一?！?/p>

自2014年以來，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菌的遺傳特征。他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多種細菌很可能對人類產(chǎn)生威脅的證據(jù)。這些細菌擁有的DNA能對毒性因子進行編碼，毒性因子是致病細菌和病毒產(chǎn)生的分子，能增強其感染宿主的能力。

尼安德特人曾在西伯利亞生活過

克拉弗里的研究團隊還從永久凍土中發(fā)現(xiàn)了一些似乎來自病毒的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，他們沒有嘗試去復活任何一種病原體。

現(xiàn)在看來，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的科學家宣布，他們在墨西哥一個礦井的水晶中發(fā)現(xiàn)了存活1萬～5萬年的微生物。

這些細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。這個水晶洞中蘊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)十萬年而逐漸形成的。

這些細菌被困在晶體內(nèi)微小的液泡中，但一旦被提取出來，它們就會復活并開始繁殖。這些微生物在遺傳上是獨一無二的，它們可能是新物種，但是研究人員尚未發(fā)布其研究成果。

科學家在美國新墨西哥州地下1 000英尺（約304.8米）的龍舌蘭洞穴中發(fā)現(xiàn)了更古老的細菌。這些微生物在不見天日的地下存活了400萬年之久。

龍舌蘭洞穴從來不見天日，與世隔絕，地表上的水滲入洞穴內(nèi)需要大約1萬年的時間。

盡管如此，龍舌蘭洞穴中的細菌不知如何竟然已對18種抗生素產(chǎn)生耐藥性，包括被認為是抗擊感染“最后一招”的藥物。在2016年12月發(fā)表的一項研究報告中，研究人員發(fā)現(xiàn)，這種被稱為“類芽孢桿菌LC231”的細菌，對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。

由于這些細菌在洞穴中與世隔絕的時間長達400萬年，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，這意味著其抗生素耐藥性必定是通過其他途徑產(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

參與該項研究的科學家認為，這些細菌對人類沒有危害，是那些自然進化出抗生素耐藥性的很多種細菌中的一種。這表明，細菌的抗生素耐藥性存在的時間已長達數(shù)百萬年乃至數(shù)十億年之久。

顯然，如此古老的抗生素耐藥性不可能是因為在臨床上使用抗生素而形成的。

原因是很多種類的真菌，甚至其他細菌，會自然產(chǎn)生對抗生素的抵抗力，從而獲得勝過其他微生物的競爭優(yōu)勢。弗萊明最早就是這樣發(fā)現(xiàn)青霉素的：當培養(yǎng)皿中的細菌被一種能分泌抗生素的霉菌污染后，培養(yǎng)皿中的細菌都死了。

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

這可能解釋為什么這些細菌只對來自細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。這些細菌從未遇到過人造抗生素，所以對人造抗生素并沒有產(chǎn)生耐藥性。負責這項研究的美國俄亥俄州阿克倫大學微生物學家黑澤爾·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新概念，我們發(fā)現(xiàn)的生物與地表生物隔絕了400萬～700萬年，但它們的抗生素耐藥性在遺傳學上是相似的。這意味著這些抗生素耐藥性的基因至少存在了400萬～700萬年，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”本身對人類無害，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，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年的一項研究中，科學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3萬年的細菌，并提取了其DNA。他們發(fā)現(xiàn)其基因編碼了對β-內(nèi)酰胺、四環(huán)素和糖肽抗生素具有耐藥性。

對于這一切，我們應該感到幾分擔憂？

有一種論點認為，永久凍土中的病原體造成的危險本質(zhì)上是不可知的，所以我們不應該刻意為此擔憂。相反，我們應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，北半球國家將變得更容易發(fā)生通常在南半球國家才出現(xiàn)的疾病，比如瘧疾、霍亂和登革熱，因為這些病原體在更高的氣溫下會茁壯成長。

另一種觀點認為，我們不應該忽視永久凍土中的病原體帶來的風險，因為我們無法對這些風險進行量化。

“根據(jù)我們以及其他人的研究結果可以發(fā)現(xiàn)，永久凍土中的致病性微生物復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，但確實有這種可能。它們有可能是用抗生素能醫(yī)治的細菌，也可能是具有抗生素耐藥性的細菌或病毒。如果病原體與人類已經(jīng)很長時間未接觸，那么，我們的免疫系統(tǒng)還沒有做好抵御這種病原體的準備。所以，這就可能存在危險?！?/p>

[資料來源：BBC][責任編輯：松 石]

本文作者賈斯明·?？怂?斯凱利（Jasmin Fox-Skelly）是英國著名的自由科學作家，擁有神經(jīng)科學學士學位和科學傳播碩士學位，主要關注新科學和天文學。