冰下危机：潜伏于冻土中的远古病菌复苏

蔡立英/编译

冰下危机：潜伏于冻土中的远古病菌复苏

蔡立英/编译

迁徙的驯鹿

● 随着全球气候变暖，冰封于冰层和永久冻土之下长达数世纪的长期蛰伏的细菌和病毒开始复苏。

纵观历史，人类与细菌和病毒一直并存。从瘟疫到天花，为了抵御它们，我们一直在进化，而它们也相应地演化出感染我们的新方法。

自从亚历山大·弗莱明发现青霉素以来，我们拥有抗生素已有近100年的时间。作为回应，细菌也不断产生抗生素的耐药性。这场战役永无止境：因为我们与病原体共同生存的时间太长，有时会形成一种自然的僵局。

然而，如果我们突然暴露于已消失成千上万年或是我们从未遇到过的致命细菌和病毒前，将会发生什么情况呢？

我们可能很快就会看到这个假设变成现实。气候变化正在融化已冰冻成千上万年的永久冻土，随着土壤的融化，它们将会释放出蛰伏多年的古老病毒和细菌，这些病毒和细菌正在恢复生命力。

2016年8月，在西伯利亚冻原的偏远一隅——北极圈内的亚马尔半岛上，1名12岁的男孩因感染炭疽死亡，至少有20人也因此住院治疗。

此次炭疽疫情暴发的前因后果是，大约75年前，一头驯鹿死于炭疽感染，其冰冻的尸体封存在被称为“永久冻土”的一层冻土之下。此后，驯鹿的尸体一直封冻在那里，直到2016年夏天的一波热浪袭击了这里，最终导致永久冻土的解冻。

永久冻土的解冻导致驯鹿的尸体暴露出来，并将具有感染性的炭疽菌释放到附近的水体和土壤中，然后进入食物供应链。附近放牧的2 000多头驯鹿被感染，然后引发了小部分人类的感染。

科学家担心，这不会是一个孤立的个案。随着地球变暖，更多的永久冻土将融化。正常情况下，表层深度在50厘米以下的永久冻土层每年夏季都会融化。但是现在，全球变暖逐渐使更深的永久冻土层暴露出来。

处于冰冻状态的永久冻土是细菌长期保持活性的完美温床，细菌有可能存活长达100万年。这意味着永久冻土中冰层的融化可能会打开疾病的潘多拉魔盒。

北极圈的气温正在快速上升，其升温速度比世界上其他地方大约快3倍。随着冰层和永久冻土的融化，其他感染性病原体可能会被释放出来。

“永久冻土是微生物和病毒非常好的保护者，因为它温度很低，没有氧气，而且处于黑暗中，”法国艾克斯-马赛大学的进化生物学家让-米歇尔·克拉弗里（Jean-Michel Claverie）指出，“能感染人类或动物的致病性病毒可能保存于古老的永久冻土层中，甚至包括过去曾导致全球性传染病的恶性病菌。”

在南极的冰层中发现了蛰伏的细菌

仅在20世纪初，超过100万头驯鹿死于炭疽病。当时挖深坑埋尸体并不是一件容易的事，所以这些驯鹿的尸体大部分就掩埋在地表附近，分散于俄罗斯北部的7 000个埋葬地中。

但是，最大的恐惧是冻土之下潜伏着什么。

几个世纪以来，不断有人类和动物的尸体埋藏在永久冻土中，所以可以想象永久冻土可能释放出其他传染性病原体。例如，科学家在阿拉斯加苔原的大型墓地挖掘出的几具尸体上，发现了完好无损的、曾经横扫欧洲的1918年西班牙流感病毒。天花和黑死病的病原体也有可能埋藏于西伯利亚的永久冻土中。

在2011年的一项研究中，鲍里斯·雷维奇（Boris Revich）和玛丽娜·波多纳亚（Marina Podolnaya）预测：永久冻土融化的一个后果是，18世纪和19世纪致命的感染性媒介可能会卷土重来，尤其是在埋葬了这些传染病受害者的墓地附近。

例如，在19世纪90年代，西伯利亚曾爆发过一次严重的天花疫情，一个小镇因此失去了40%的人口，他们的尸体埋葬于科雷马河河畔永久冻土的表层之下。120年后，科雷马河的洪水开始侵蚀河岸，而永久冻土的融化加速了这个侵蚀过程。

在20世纪90年代启动的一个研究项目中，来自俄罗斯新西伯利亚的病毒学和生物技术国家研究中心的科学家化验了石器时代的古人类遗骸，它们是在西伯利亚南部的阿尔泰山地区发现的。他们还化验了19世纪病毒流行期间死亡的男子尸体样本，这些尸体是从俄罗斯永久冻土中挖掘出来的。研究人员称，他们已经发现这些尸体具有患天花后留下的症状。虽然他们没有找到天花病毒本身，但他们已经检测到天花病毒的DNA片段。

在2005年的一项研究中，美国宇航局（NASA）的科学家们成功复活了封存在阿拉斯加一个冰冻池塘中长达3.2万年的细菌。这种叫作 “肉芽孢杆菌”（Carnobacterium pleistocenium）的微生物自更新世以来就一直被封冻，当时毛茸茸的猛犸象仍然在地球上漫游。一旦冰层融化，肉芽孢杆菌就开始四处游动，似乎未受冰冻的影响。而一旦它们复活，病毒就迅速开始具有传染性。两年后，科学家们成功复活了在冰下蛰伏长达800万年的细菌，这些细菌休眠于南极一处冰川下面的冰层中。在同一项研究中，科学家还复活了从已存在 10万年的冰层中采集到的细菌。

但是，并不是所有冰冻在永久冻土之下的细菌都可以复活。炭疽杆菌之所以能做到，是因为它们能产生孢子，孢子生命力顽强，可以在冰冻状态下存活超过一个世纪以上。

可以产生孢子的其他细菌也因此能在永久冻土中存活，包括破伤风菌和肉毒杆菌。肉毒是一种能导致瘫痪甚至致命的罕见病，肉毒杆菌是产生肉毒的病原体。此外，一些真菌和病毒也能在永久冻土中长期生存。

在2014年的一项研究中，克拉弗里领导的一个研究团队复活了被封存在西伯利亚永久冻土中长达3万年的两种病毒——西伯利亚阔口罐病毒和西伯利亚软体病毒，它们都是“巨型病毒”，因为不像大多数的普通病毒，它们的体型相对“巨大”，利用常规显微镜就能观察到。它们是在西伯利亚沿海的苔原带冻原地下100英尺（约30.48米）处被发现的。

一旦它们复活，这些病毒就迅速变得具有传染性。幸运的是，这些特殊的病毒只感染单细胞的变形虫。不过，该研究仍然表明，真正可以感染人类的其他古老病毒可能会以同样的方式复活。

更重要的是，全球变暖并不一定直接通过融化永久冻土对人类构成威胁。因为北极的海冰正在融化，西伯利亚北海岸已变得更容易从海路抵达。因此，包括采矿和石油天然气钻探等在内的工业开发正从中获利。

“目前，这些地区是荒芜的，深层的永久冻土层还未受干扰，”克拉弗里指出，“但是，这些古老的冻土层可能因人类采矿和钻井作业所需要的挖掘而暴露出来。如果能成活的病毒粒子还潜藏在冻土层中，可能会给人类带来灾难。”

关于碰撞检测时间的计算，考虑[t0，t1]∈[t0，t0+1]在小范围内处理。被测物体A和B间做连续时间的接近运动（此时两者均已分割成三角形元素），在[t0，t0+Δt]∈[t0，t0+1]，在 Δt运动过程中，物体 A 正在以某一方向向B靠近，具有线性运动规律，可考虑运动方程有 μtΔt≤d（A（t），B）的关系，d（A（t），B）为物体A与B之间的距离，μt为阈值。因考虑时空相关性理论，前提考虑两物体已经发生碰撞，标记节点并记录时间，可以减少部分时间计算，考虑回退技术的应用[9]，在时间段[t0，t1]∈[t0，t0+1]中，通过时间Δt进行时间区间分段：

倘若任何此类病毒真的爆发，那么最有可能的罪魁祸首是巨型病毒。

“因为光照、脱水或自发的生化降解，大多数病毒在宿主细胞外就迅速失去活力，”克拉弗里说道，“例如，如果它们的DNA受损至无法修复，其病毒粒子将不再具有传染性。但在已知的病毒中，巨型病毒往往生命力非常顽强，几乎不可能被破坏。”

克拉弗里指出，曾出现于最早居住在北极的古人类的病毒可能会再次出现。我们甚至能看到那些来自早已灭绝的古人类种群的病毒，比如尼安德特人和丹尼索瓦人，他们都曾在西伯利亚定居过，并饱受各种病毒性疾病的困扰。科学家已在俄罗斯陆续发现距今3万～4万年前的尼安德特人的遗骸，数千年前，人类曾在那里居住，生老病死。

克拉弗里说：“我们能从早已灭绝的尼安德特人的遗骸中采集到病毒，这种可能性表明，一种病毒能从地球上‘根除’的想法是错误的，这种想法给我们一种虚假的安全感。这就是我们要维持疫苗库存的原因，仅仅是以防万一。”

自2014年以来，克拉弗里一直在分析永久冻土层的DNA含量，寻找可能感染人类的病毒和细菌的遗传特征。他已经发现了许多种细菌很可能对人类产生威胁的证据。这些细菌拥有的DNA能对毒性因子进行编码，毒性因子是致病细菌和病毒产生的分子，能增强其感染宿主的能力。

尼安德特人曾在西伯利亚生活过

克拉弗里的研究团队还从永久冻土中发现了一些似乎来自病毒的DNA序列，其中包括疱疹病毒。但是，他们尚未发现任何天花病毒的踪迹。由于显而易见的原因，他们没有尝试去复活任何一种病原体。

现在看来，似乎从人类身上断绝的病原体也将从其他地方出现，而不只是从冰层或永久冻土中。

2017年2月，NASA的科学家宣布，他们在墨西哥一个矿井的水晶中发现了存活1万～5万年的微生物。

这些细菌存在于奈卡水晶洞中，它是墨西哥北部小镇奈卡一座矿山的一部分。这个水晶洞中蕴藏大量的乳白色晶体——透明石膏（亚硒酸盐晶体矿物），是历经数十万年而逐渐形成的。

这些细菌被困在晶体内微小的液泡中，但一旦被提取出来，它们就会复活并开始繁殖。这些微生物在遗传上是独一无二的，它们可能是新物种，但是研究人员尚未发布其研究成果。

科学家在美国新墨西哥州地下1 000英尺（约304.8米）的龙舌兰洞穴中发现了更古老的细菌。这些微生物在不见天日的地下存活了400万年之久。

龙舌兰洞穴从来不见天日，与世隔绝，地表上的水渗入洞穴内需要大约1万年的时间。

尽管如此，龙舌兰洞穴中的细菌不知如何竟然已对18种抗生素产生耐药性，包括被认为是抗击感染“最后一招”的药物。在2016年12月发表的一项研究报告中，研究人员发现，这种被称为“类芽孢杆菌LC231”的细菌，对70%的抗生素具有耐药性，而且能让其中很多抗生素完全失去活性。

由于这些细菌在洞穴中与世隔绝的时间长达400万年，所以它们从未与人类或是用于治疗人类感染的抗生素药物接触过，这意味着其抗生素耐药性必定是通过其他途径产生的。

左上：墨西哥奈卡水晶洞中的水晶；左下：龙舌兰洞穴中的透明石膏晶体；右上：青藏高原的永久冻土；右下：西伯利亚的永久冻土

参与该项研究的科学家认为，这些细菌对人类没有危害，是那些自然进化出抗生素耐药性的很多种细菌中的一种。这表明，细菌的抗生素耐药性存在的时间已长达数百万年乃至数十亿年之久。

显然，如此古老的抗生素耐药性不可能是因为在临床上使用抗生素而形成的。

原因是很多种类的真菌，甚至其他细菌，会自然产生对抗生素的抵抗力，从而获得胜过其他微生物的竞争优势。弗莱明最早就是这样发现青霉素的：当培养皿中的细菌被一种能分泌抗生素的霉菌污染后，培养皿中的细菌都死了。

在那些缺乏食物的洞穴中，生物要想生存下去，就必须残忍无情。像“类芽孢杆菌LC231”这样的细菌，可能不得不进化出抗生素耐药性，以避免被对手生物杀死。

这可能解释为什么这些细菌只对来自细菌和真菌的天然抗生素产生耐药性，这种抗生素在我们日常使用的所有抗生素中占据大约99.9%的比例。这些细菌从未遇到过人造抗生素，所以对人造抗生素并没有产生耐药性。负责这项研究的美国俄亥俄州阿克伦大学微生物学家黑泽尔·巴顿（Hazel Barton）指出：“我们的研究工作和其他人的研究工作表明，抗生素耐药性并非一个新概念，我们发现的生物与地表生物隔绝了400万～700万年，但它们的抗生素耐药性在遗传学上是相似的。这意味着这些抗生素耐药性的基因至少存在了400万～700万年，而不是人类用抗生素治疗疾病才产生的。”尽管“类芽孢杆菌 LC231”本身对人类无害，但理论上它能把其抗生素耐药性传给其他病原体。然而，由于它被隔绝在地下400米深的洞穴中，这种事情似乎是不太可能发生的。

不过，天然的抗生素耐药性在微生物中很可能非常普遍，从融化的永久冻土中出现的很多细菌可能已经具有抗生素耐药性。与此推断一致的是，在2011年的一项研究中，科学家在俄罗斯与加拿大之间的白令海地区发现了在永久冻土中潜伏了3万年的细菌，并提取了其DNA。他们发现其基因编码了对β-内酰胺、四环素和糖肽抗生素具有耐药性。

对于这一切，我们应该感到几分担忧？

有一种论点认为，永久冻土中的病原体造成的危险本质上是不可知的，所以我们不应该刻意为此担忧。相反，我们应该专注于气候变化方面更为明确的威胁。例如，随着地球变暖，北半球国家将变得更容易发生通常在南半球国家才出现的疾病，比如疟疾、霍乱和登革热，因为这些病原体在更高的气温下会茁壮成长。

另一种观点认为，我们不应该忽视永久冻土中的病原体带来的风险，因为我们无法对这些风险进行量化。

“根据我们以及其他人的研究结果可以发现，永久冻土中的致病性微生物复活并感染人类的可能性并非为零，”克拉弗里指出，“这种可能性具体有多大还不知道，但确实有这种可能。它们有可能是用抗生素能医治的细菌，也可能是具有抗生素耐药性的细菌或病毒。如果病原体与人类已经很长时间未接触，那么，我们的免疫系统还没有做好抵御这种病原体的准备。所以，这就可能存在危险。”

[资料来源：BBC][责任编辑：松 石]

本文作者贾斯明·福克斯-斯凯利（Jasmin Fox-Skelly）是英国著名的自由科学作家，拥有神经科学学士学位和科学传播硕士学位，主要关注新科学和天文学。