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冰雪下的潘多拉魔盒:北极冻土消融或致远古病菌复苏

作者:- 文章来源:- 点击数:68 更新时间:2017/5/17 7:32:07

迁徙的驯鹿迁徙的驯鹿
挪威斯瓦尔巴群岛上的冻土层景观挪威斯瓦尔巴群岛上的冻土层景观

  新浪科技讯 北京时间5月16日消息,据英国广播公司(BBC)报道,自从人类诞生的那一刻起,细菌和病毒便如影随形。从黑死病到天花,人类已经进化出抵抗这些病菌的能力,而相应的,这些病菌也逐渐演化出了侵袭人体的新途径。

  自从英国医生弗莱明发现青霉素以来,抗生素诞生已经超过一个世纪了。作为对抗手段,病菌逐渐进化出了耐药性。这场战斗没有终点:由于我们与这些病菌共同相处了这么长的时间,两者几乎已经难以分开了,这是某种意义上的天然困境。

  但是,请想象一下,如果我们突然被暴露在某种数千年来我们从未遭遇过的致命细菌或病毒面前,将会发生什么?

  冰雪下的“潘多拉魔盒”?

炭疽杆菌的孢子能够存活数十年之久炭疽杆菌的孢子能够存活数十年之久
在南极的冰封之中,科学家们发现了休眠上百万年的细菌在南极的冰封之中,科学家们发现了休眠上百万年的细菌

  这样一个假设情况或许很快就将变为现实了。全球气候变化正在造成数千年来一直处于冷冻状态的冻土层开始消融,而随着冻土层逐渐消融,一些休眠数千年的古老病毒和细菌开始苏醒。

  在2016年8月,在俄罗斯位于北极圈内亚马尔半岛上的荒凉一隅,一个当地的12岁男孩由于感染炭疽而死,在其周围还有大约20名居民也受到了严重感染而不得不住院治疗。

  研究人员推断,在大约75年前,当地曾经有驯鹿因为感染了炭疽而死,死后它的尸体就被冷冻在了当地寒冷的冻土层之中。这种情况一直持续,直到2016年夏季的一场罕见热浪袭击了这里,终于导致这里的永冻土层开始消融。

  这样的结果是驯鹿的尸体逐渐暴露出来,并向周围的土壤和水体中释放出致病的炭疽病菌并最终进入食物链。其后果是附近超过2000头驯鹿感染炭疽病,随后便引发了人类的感染。现在科学家们非常担心的是,这样的情况以后或许会越来越常见。

  随着地球变暖,将有更多的冻土层消融。在正常情况下,表层深度在50厘米以内的冻土层是每年都会融化的。但现在全球变暖正在让更深处的冻土消融。

  永冻土层是病菌能够在漫长时期内保持存活的理想环境条件,有的甚至能够挨过数百万年时间。这就意味着永冻土的消融有可能相当于打开了一个潘多拉魔盒,后果难以预料。

  北极圈内地区的温度正在快速上升,其速度相比其他地区要快3倍以上。随着冰和永冻土层快速消融,可能将会有更多的治病病菌被释放出来。

  法国艾克斯-马赛大学的进化生物学家让-米歇尔·克莱瓦里(Jean-Michel Claverie)表示:“永冻土是细菌和病毒的理想保存环境,因为那里温度很低,没有氧气,也几乎没有阳光。”他说:“能够感染人类或动物的致病病毒或许就被封冻在那里,其中甚至有可能隐藏着曾经引发全球性感染的恶性病菌。”

  仅仅在20世纪早期,就有超过100万头驯鹿被确认死于炭疽热。由于在冻土地区挖掘深坑比较困难,因此大部分这些尸体都是掩埋在比较浅表层的地方,在整个俄罗斯北极地区零星分布着超过7000处这样的掩埋地点。

  瘟疫病菌卷土重来?

  但更加令人担忧的还并非这些尸体,而是在永冻土下方还有可能隐藏着什么?

  数百年来,不断有人类和动物的遗体被埋葬在这一地区,因此完全有可能未来会有其他致病菌被释放出来。比如说,科学家们发现在阿拉斯加的冻土内挖掘出的尸体中还能分离出完好无损的,曾经横扫欧洲的1918年西班牙流感病毒。而当年死于天花和黑死病的尸体同样就掩埋在西伯利亚。

  2011年的一项研究中,科学家们写道:“作为永冻土层消融的后果之一,我们在18世纪和19世纪曾经经历过的那些噩梦般的疾病将有可能会卷土重来,尤其是在那些曾经大量掩埋了当年那些死者的墓地附近地区。”

  比如说,在1890年代,西伯利亚地区曾经爆发天花流行性感染。有一个小镇人口减少了超过40%。这些人的遗体就被就地掩埋在科雷马河河岸的永冻土层下。120年后,科雷马河发生的洪水开始侵蚀河岸,这里的永冻土层开始加速融化。

  在一项开始于1990年代的研究项目中,来自俄罗斯新西伯利亚国家病毒学与生物技术研究中心的科学家们对西伯利亚南部地区发掘出土的石器时代遗体进行了研究,他们同时也对19世纪瘟疫大流行期间死去,并被掩埋在俄罗斯的冻土层之下的一名男性遗体身上提取的样本进行分析。

  分析结果显示这两具遗体身上都发现了符合天花病灶的伤痕。尽管分析过程中并未发现实际的天花病毒,但科学家们的确检测到这种病毒的残留DNA片段。

  有一点是毫无疑问的,这并非首次有冰封之下的细菌和病毒重见天日的案例。

  在2005年的一项研究中,美国宇航局的科学家们成功地从一个阿拉斯加州境内的冰湖内提取到已经在冰雪之中被封存了超过32000年的古老细菌。这种微生物名为“肉芽孢杆菌”,这些细菌从更新世以来便一直被冰封在冰雪之中,当时的地球表面还有猛犸象在到处游荡。而一旦冰雪融化,这些细菌便再一次被释放出来,活跃如初,冰冻历史似乎对其毫无影响。

  两年之后,科学家们又成功地复苏了一类已经在冰雪之中被封存了超过800万年的细菌,地点是在南极洲的一个山谷里。在同一项研究中,科学家们还在南极提取到在冰雪中休眠超过10万年的细菌菌株。

  巨型病毒的威胁

拟菌病毒,一种体型巨大的病毒种类拟菌病毒,一种体型巨大的病毒种类

  然而,并非所有微生物都有这样的能力,能够在被封存于永冻土层如此长久的时间之后还能满血复活。炭疽杆菌之所以能够忍受这样的长期冰封状态是因为其能够变为孢子状态,这种状态下的病菌极其顽强,能够忍受超过一个世纪的冰冻状态。

  其他还有很多种细菌也同样能够形成孢子,从而耐受长期的极端环境,比如破伤风梭菌和肉毒杆菌,后者是肉毒杆菌中毒的元凶。这是一种罕见的疾病,能够导致瘫痪,有时甚至是致命的。有一些种类的真菌同样也可以忍受长时间的冰冻环境,病毒也是一样。

  在2014年的一项研究中,一个由克莱瓦里博士领衔的研究组从西伯利亚的永冻土层中成功提取到已经被冰封超过3万年的两种病毒。这两种病毒分别名为“Pithovirus sibericum”和“Mollivirus sibericum”。这两类病毒均为“巨型病毒”,这是因为它们与一般意义上的病毒很不一样,它们的体型相当庞大,甚至使用一般的显微镜就能够看到。它们是在西伯利亚的苔原带河岸边地下大约100英尺(约合30.48米)被发现的。

  在被从永冻土中发掘出来之后,这种病毒迅速恢复了传染性。但幸运的是,这种病毒只能感染单细胞的阿米巴虫。但研究人员们警告称,其他种类的能够感染人体的病毒完全有可能有类似的能力,能够在冰雪消融之后迅速恢复对人体的感染能力。

  更有甚者,全球变暖并不需要直接通过永冻土层的消融来对人类生存产生威胁:由于北冰洋海冰大量融化,西伯利亚北部从海上登陆变得相比以往更加便利。于是工业活动便开始逐渐向这一地区扩张——金矿和其他矿产的开采行为与日俱增,追逐石油和天然气资源的油气集团也在这里挣的盆满钵满。

  克莱瓦里表示:“在目前阶段,这里的大部分地区都还尚处于未开发阶段,深层的永冻土层也还尚未遭到影响。但是随着未来钻探和采矿行动的持续进行,这些深层永冻土也将暴露。如果这些土层中存在休眠的病毒或细菌,那么它们将有机会苏醒并扩散开来。”

  在这样设想的情景中,巨型病毒尤其值得警惕。克莱瓦里指出:“大部分病毒只要离开了宿主细胞很快就会失活,由于光照、脱水或生物化学降解作用,病毒将逐渐丧失活性和感染能力。比如说,如果它们的DNA遭到无法修复的破坏,那么这种病毒也就失去了感染人体的能力。然而,在所有已知的病毒种类中,巨型病毒一般都是比较顽强的,几乎很难被自然环境破坏。”

  来自我们先祖的阴影?

尼安德塔人曾经生活在西伯利亚地区尼安德塔人曾经生活在西伯利亚地区

  克莱瓦里指出,最初抵达北极地区的人类身上所携带的病毒将再次浮现出来。我们甚至有可能将首次面对来自早已灭绝的其他人类祖先近亲曾经所感染的病毒种类,比如尼安德塔人和丹尼索瓦人。这两种已经灭绝的古人类近亲都曾经生活在西伯利亚地区。考古学家们已经在俄罗斯北极地区发现了距今3万~4万年左右的尼安德塔人遗骸。而我们的祖先也早在数千年前就抵达了这里,在这里生活,患病并死去,他们的遗骸被就地掩埋在这里广袤的冻土层之下。

  克莱瓦里说:“我们将有可能遭遇曾经感染过尼安德塔人的病毒种类表明,我们以前常说的,我们将某种病毒从地球上‘根除’这样的说法其实很有可能是不够准确的,这样的说法很容易造成某种虚假的安全感。这也是为何我们必须保留针对这些病菌的疫苗储备,很简单,就是以防万一。”

  自从2014年以来,克莱瓦里一直在对采集自北极地区永冻土层中的DNA物质进行检索分析,从中搜寻任何可能与感染人体有关的细菌或病毒相关的遗传物质信息。他的研究组到目前为止已经发现了很多种可能对人体有害的细菌。

  克莱瓦里的团队在样本中发现了似乎来自病毒的DNA片段,其中包括意思疱疹病毒。但到目前为止他们还尚未发现任何与天花病毒有关的遗传物质线索。当然出于显而易见的原因,目前团队还尚不打算复苏其中的任何一种病毒或细菌。

  现在看来,人类看似已经消灭的病原体仍然有可能从其它地方东山再起,并且并非仅仅是在冰层或永冻土层里。

  天然抗药性

墨西哥奈卡晶洞内的大量晶体墨西哥奈卡晶洞内的大量晶体
墨西哥境内另一处洞穴深处巨大的石膏晶体墨西哥境内另一处洞穴深处巨大的石膏晶体

  在2017年2月,美国宇航局的科学家们宣布他们在一个墨西哥境内的矿井中发现了年龄已经5万~10万年的古老微生物。

  这种细菌被发现的地方被称为“奈卡水晶洞”,这是墨西哥北部的一处矿洞的一部分。这个水晶洞里有大量巨大的石膏晶体,这些晶体是在长达数十万年的时间里逐渐生长形成的。

  而美国宇航局的科学家们所发现的那些细菌正是被困在了这些晶体内部微小的液泡里无法脱身,而尽管已经被困数万年之久,但一旦被取出之后,这些细菌便几乎立即恢复了活力,开始生长繁殖了。从遗传信息来看这种细菌是非常特殊的,很有可能是人类此前未见的新种类,但研究人员还需要更多分析来确认这一点。

  甚至科学家们还发现了更加古老的细菌,地点是在墨西哥境内1000英尺(约合300米)的地下深处洞穴中。这里生活的这些细菌已经有超过400万年没有见到过天日了。

  在这样的深邃洞穴里,基本是与外界隔绝的,地面上的水要下渗到这样的深度,从而抵达这些洞穴,中间将需要经过超过1万年的时间。

  但即便如此,这些细菌不知怎的竟然发展出了能够对抗18种抗生素的能力,包括一些被认为是人类对抗感染的“终极药物”。在2016年12月发布的一项研究报告中,研究人员发现一种名为“Paenibacillus sp。 LC231”的细菌竟然能够有效抗击超过70%的人类现有抗生素药物,并且能够让其中的大部分药物完全失效。

  好在由于这些细菌长期被困地下深处,它们没有机会与人类与抗生素相接触。这也就意味着它们身上所具备的这种抗药性一定是从其他途径逐渐进化出来的。参与这项研究的科学家们相信,这些细菌当然本身并不会对人类健康构成伤害,但它们所表现出的这种奇特的抗药性则应该是自然进化过程中产生出来的结果。这就意味着对抗抗生素的能力可能已经在自然界中早已存在了数百万乃至数十亿年之久了,对于自然界而言,这种能力并非新鲜事物。

  很显然的,这样古老的对抗抗生素的能力并非在现代临床治疗中由于滥用抗生素而导致的细菌耐药性后果,对于医学工作者而言,这并非一个好消息。

  之所以这样说,原因是显而易见的,因为一般情况下,我们对于某些种类的真菌以及很大一部分的细菌所具备抗药性的认识,是认为它们发展出这种能力是为了取得对人类使用抗生素的相对竞争优势。这也是英国医生弗莱明最初发明抗生素时所意识到的:他的培养皿中的一些细菌在遭受一种霉菌的污染后出现死亡,原因正是后者能够分泌某种抗生素成分。

  生存本能的产物

西伯利亚永冻土分布区的苔原景观西伯利亚永冻土分布区的苔原景观

  在地下深处的洞穴中,由于食物匮乏,有机体要想生存下去,就必须变得“残酷无情”。因此,类似前面所提到的“Paenibacillus”这样的细菌便进化出了抗击抗生素作用的能力,从而避免被类似青霉菌那样能够分泌抗生素的对手消灭的命运。

  这或许也能够解释为何这种细菌对抗抗生素的能力似乎只针对那些能够在自然界,由细菌或真菌所产生的抗生素,而不包括人类人工合成,而在自然界中并不存在的抗生素类型,当然前者就占到了目前我们人类社会所使用抗生素种类的99.9%。由于这些细菌从未遭遇过人类合成的人工抗生素,因此当然也就不具备对抗能力。

  这项研究的第一作者,美国俄亥俄州阿克伦大学微生物学家哈泽尔·巴顿(Hazel Barton)表示:“我们以及其他同事们所开展的工作表明,对抗抗生素的能力并非新鲜事物。我们所发现的微生物已经与地面生物圈之间相互隔绝长达400~700万年,但是他们所发展出的对抗抗生素的能力在基因层面上分析基本是与地面上生物所发展出的类似能力基本一致的。这就意味着这些基因是非常古老的,至少在400~700万年前就已经出现了,而与人类使用抗生素的历史没有多大关联。”

  尽管Paenibacillus本身对于人类并无危害,但理论上说,它可能会把自己抗击抗生素的能力扩散给其他致病菌。然而,由于它们被困在超过400深的地下,因此这种可能性比较低。

  不过,科学家们认为自然界具备天然对抗抗生素能力的细菌很有可能是非常常见的,比如很多倍冰封在北极永冻土层内的某些细菌或许就有这样的能力。而似乎是对这一想法的确认,在2011年的一项研究中,科学家们在俄罗斯与加拿大之间的白令海峡地区冻土层中的细菌体内检测到一些DNA片段,时间距今超过3万年之久。在这些遗传信息中,科学家们发现其具有对抗β-内酰胺、四环素以及糖肽类抗生素的能力。

  我们该怎么办?

中国西藏地区的永冻土层中国西藏地区的永冻土层

  那么我们究竟是否应该对这种情况感到忧虑呢?

  一种意见是认为来自这类永冻土致病菌的威胁基本上是不可预知的,因此我们不应对此太过忧虑。相反,我们更应该将注意力集中到那些更为明确的威胁上,比如全球变暖等课题,可以预见的是,随着全球变暖的持续发展,一些高纬度地区的国家或地区将越来越多出现更温暖地区常见的疾病,比如疟疾、霍乱和登革热。因为这些致病菌喜欢在更加温暖的环境中生长传染。

  而另外一种针锋相对的观点则认为,正是由于我们难以对这种来自冻土致病菌的威胁大小程度进行量化分析,我们才更加应该倍加谨慎小心。

  克莱瓦里表示:“根据我们以及其他人的研究,现在已经可以确定的是,远古致病菌的复苏和对人类的感染并非绝无可能。至于这样的可能性有多高难以具体计算,但这种可能性肯定是存在的。这样的病原体可能是可以用抗生素治疗的细菌,也有可能是具有对抗抗生素能力的耐药菌,也或许是病毒。如果某种病原体在很长一段时间内没有与人类接触,那么我们的免疫系统对此将是陌生的,没有准备的,而这样的情况将会十分危险。”(晨风)

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