天空中的微生物

文/孙欣 | By Sun Xin

当你我望向晴朗的天空时，会看到昆虫和鸟儿，想到它们代表着生物界，宣示生命这种特殊的能量组织形式占领了地表以上相当广大的一部分空间。斑头雁可以飞到海拔8000米之上。人类凭借火箭之力，更可以冲出大气层。我们祖先曾相信的神话如今都被证明是虚妄的：白云之中没有仙人来来往往。但是没有仙人并不表示天空中没有神奇的生命。地球上存在生命的空间，上至高空，下至深海，人类和高等动物在其中只占了薄薄的一层，其他大部分空间其实都由微生物占据着。

科学家早就发现近地面的空气中飘浮着许多微生物。它们附着在灰尘上，花粉上，一切体积微小易于随风传播的物质上。一个人打喷嚏，便能以300公里/小时的速度喷出许多直径为10微米-100微米的飞沫，挟带着与人共生甚至可能致病的细菌和病毒。这些飞沫迅速风干，缩小到直径1微米-4微米，悬浮在空气中。致病细菌和病毒若有机会在死亡以前被新的宿主摄入体内，就会传播疾病。携带着微生物的细微颗粒在空气中已经达到悬浮状态，不会因为重力坠地。若是遇到合适的条件，就能向高空飘移。微生物向高空进军，前线在哪里呢？

生活在天空中的细菌看似离我们很遥远，其实它们与人类的关系比我们想象的要近得多。有研究发现天空中的细菌在“行云降雨”的过程中扮演着极为重要的角色。细菌的直径约在0.1微米-3微米之间，足以令高空的水蒸汽在这样微小的颗粒周围凝结起来形成云。这些微粒被称为“凝集核”。微生物是凝集核的主要来源之一。某些种类的细菌外膜上有一种名为“inaZ”的蛋白质，它原本的功能是破坏植物的叶片，帮助细菌侵入植物。在高空中，这种蛋白质令细菌成为效率很高的凝集核。云可以反射阻挡和反射太阳光，浓厚的云会产生降雨，从而改变地面的生态。因此弄清楚天空中有什么样的细菌对人类来说有很重要的意义。

收集高空细菌的首要困难就是高空不是容易达到的采样点。从前的研究主要靠在高山上收集空气中的细菌，受陆地局限很大。另外，微生物由于个体太小，不要说肉眼，用显微镜也常常难以观测到。即使观测到个体，也无法准确得知它们的分类知识。微生物繁殖得极快，对一群微生物进行培养，常常会变成选择其中最适合培养条件的那些种类。原先的微生物构成无法复原。一些生活在极端条件下的微生物（深海、高温、高压、缺氧、高空）在普通环境下根本无法培养。这一难题近年来被日趋强大的DNA扩增和深度测序技术逐步解决。科学家可以直接将样品中细菌基因组的标志性片段核糖体RNA扩增并测序，从而在不需要培养的条件下分辨出样品中的各种细菌，精确到属。

2012年，为了探索高空微生物的种类和数量，美国NASA的科学家用飞机在加州海岸跨大陆飞行，在墨西哥湾、加勒比海和大西洋上空分别收集了空气中微生物的样品，并与乔治亚理工学院的环境微生物学家康斯坦丁尼迪斯(Kostas T.Konstantinidis)合作进行分析。用扩增DNA的检验方法，他们发现这一高度的空气每立方米含有5000个左右的细菌和700个左右的真菌。在显微镜下给染色的活动状态的细菌计数，却可以得到每立方米细菌数高达15万个的结论。二者之间的差别可能由几种原因造成：DNA扩增中使用的引物不匹配，使某类细菌被遗漏；一些处于生活状态的细菌孢子由于壁特别厚，DNA无法用一般的方法提取得到；用核糖体RNA的拷贝数来估算细菌总数的方法有误差。虽然显微镜计数可能提供更准确的活菌数信息，DNA扩增的方法却可以让科学家得知这些细菌的“身份”——它们属于哪个门类，来自高山、海洋、平原还是淡水，靠代谢哪种营养物在高空生存。

NASA的科学家们未曾预料到的是：高空微生物的数量在飓风过后会增加很多，而且种类构成发生巨大改变。这说明强烈的大气流动是高空细菌的一个主要来源。每次飓风过后天空中细菌的构成变化都不同，说明飓风改变高空细菌构成与飓风本身的性质和位置密切相关。飓风扫过人类密集居住的区域，就会将人类生活中的细菌带进对流层的高处。2010年的两个大飓风“厄尔”(Earl)和“卡尔”（Karl)过后，10千米的高空处出现了大量的大肠杆菌和链球菌。这两种平时存在于人类和动物肠道中的细菌进入10千米的高空，完全是借飓风之力。

限制微生物向高空进发的一大因素是营养条件。附着在动植物上的微生物在条件合适时可以散布在空气中，但是这些微生物归根结底还是要靠地面或接近地面的生态环境存活。离开了营养源，微生物会很快“饿死”。高空中强烈的紫外线也要求细菌基因组的修复能力特别强大或是容错率特别高，否则遗传物质的复制无法完成，微生物不能繁衍。此外，高空干燥寒冷，空气稀薄，存在各种活跃的氧化物，这些都决定着高空细菌有着不同地面细菌的代谢和生存方式。NASA收集到的所有高空样品中，都有来自甲基杆菌科和草酸菌科的细菌，这两种细菌都可以代谢草酸。草酸是大气中含量最丰富的二碳酸，也是云中的化学产物之一。虽然高空细菌是否以草酸为主要能量来源尚需后续实验和数据证明，但是NASA收集得来的数据表明高空微生物有一个“核心”菌群，它们能适应高空的不利环境，在那里成功地生存繁衍。在核心菌群以外，微生物的种类和数量随着环境和气候的变化而不断变化，说明高空的复杂多变与彼处生态密切相关。至于高空中变化的微生物如何影响它们周遭的环境，比如帮助或阻碍云的形成、反射及过滤阳光，则需要更多的实验才能探明真相。

天空中的细菌来自何方？ 通过比较基因组，NASA的科学家发现他们在高空得到的微生物主要来自海洋而非陆地上。飓风过后，许多来自淡水和土壤的细菌也被送到了10千米的高空。因此微生物在大气层中远距离传播是可能的，飓风这样级别的大气运动可以改变空中甚至地面上微生物的地理分布。2011年，另一位NASA的科学家史密斯（David J.Smith）在美国俄勒冈州的一座休眠火山的山顶收集了微生物带回实验室分析，在其中发现了仅存在于日本海岸的微生物。

天空中尤其是变幻的云朵中生存着大量的微生物。它们可能来自南极，来自喜马拉雅；它们可能影响到你计划了很久的户外长跑或花园烧烤。知道了这些以后，你对蓝天白云会有什么新的看法吗？