随瑞士冰川融化苏醒的秘密：吃塑料的细菌和新药物
全球变暖导致的冰川融化，正在向大自然释放出大量未知细菌和病毒。这些微生物可以帮助我们解决塑料污染、抗生素耐药性等全球性问题。一个研究小组首次在瑞士的冰川中寻找它们的踪迹。
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前往冰川的道路变化无常，必须随时注意脚下，精神必须高度集中。前一秒还在冰湖旁悠闲漫步，下一秒就可能要攀爬在嶙峋的碎岩和巨石之间。
我们小心翼翼地向前行进，地势崎岖，山间的水流让路面更加湿滑。远处，巨石不时滚落，隆隆回响划破周遭的寂静。“这声音很吓人，”我们的向导比特·弗雷(Beat Frey)感慨道。
我们矗立于在瑞士阿尔卑斯山脉的罗纳冰川(Rhone Glacier)面前。15年前，这里还覆盖着厚厚的冰层(德/英)外部链接。
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弗雷是瑞士联邦森林、雪和景观研究所(Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research，WSL) 的工作人员。他手指的方向是一条新形成的横向裂缝-冰川表面的一道裂口。很快，另一个白色巨人也会消失。
然而，冰川消融影响的远不止冰层本身。弗雷解释说：“随着冰川的消失，藏在其中的微生物也将不复存在。”他补充道，没有了这些生物遗产，我们将无法理解生命如何能在极寒的环境下生存下来。
受全球变暖影响，全世界的冰川正在以惊人的速度迅速消融。冰川融化导致海平面升高，减少了一些地区的水资源供应。
瑞士苏黎世联邦理工学院和比利时布鲁塞尔自由大学(the Vrije Universiteit Brussel)近期的联合研究(英)外部链接显示，即便按照最乐观的低排放计算，截至2100年，地球上20万余座冰川(格陵兰岛和南极洲除外)的体积将缩水29%；但若是在高排放条件下，这一比例将高达54%。
阿尔卑斯山脉地区的冰川是最脆弱的冰川体系之一，可能在本世纪末就彻底消失殆尽。1931年到2016年间，瑞士大约1400座冰川所剩体积只有之前的一半。2016年到2021年，体积再度缩减12%。
联合国宣布，2025年为”国际冰川保护年”，希望借此提醒人们认识到冰川、积雪和冰层在气候系统中起到的关键性作用。
冰层和冻土中数以万计的不明微生物
弗雷是首批在阿尔卑斯山冰川和永久冻土层(注：即土壤的永久冻结层)中采集生命体的研究人员之一。几年前，另一个试验性项目(英)外部链接将他带到北极。
他的研究团队曾经认为，由于温度极低、缺乏日照和养分，冰冻环境不利于生命的存活。然而事实很快证明，他们错了。
弗雷赞叹说：“我从没预料到生物会如此多样。在冰层和永久冻土层总是有新发现。”针对瑞士阿尔卑斯山脉东部永久冻土层的研究已经发现了10种新细菌和一种新真菌。
世界其他地区也有类似发现。最近，中国研究人员在青藏高原的冰层中成功识别出上万种病毒(英)外部链接。
青藏高原与南北极被合称为“三极”，是冰川主要分布区，且气候变化剧烈。近期，以兰州大学泛第三极环境中心、中科院青藏高原所和厦门大学为主的研究团队，在《科学通报》(Science Bulletin)发表了题为《山地和极地超冰川DNA病毒的多样性和功能》(Diversity and function of mountain and polar supraglacial DNA viruses)的研究论文。
该团队通过对全球38个冰川表面雪、冰、融水和冰尘多生境187个宏病毒组和宏基因组数据的挖掘，获得10840个冰川DNA病毒基因组，构建了第一个全球冰川表面生态系统DNA病毒数据集(SgVG)。在该数据集中，8894个冰川DNA病毒基因组从青藏高原冰川获得，其余1709、141和71个冰川DNA病毒基因组则分别源自北极、南极和阿尔卑斯山冰川。SgVG将原有冰川DNA病毒基因组数据扩大了15倍，展现了冰川病毒的物种多样性、独特性和生态系统功能。
研究还发现，冰川表面潜在的与人类相关病毒序列检出频率极低，冰川表面DNA病毒主要侵染原核生物和低等真核生物，而不是植物、动物或人类。将冰川病毒序列与数据库中相关病毒进行比较发现，人类、动物和植物相关的病毒信号检出频率极低。
随着地球变暖，在冰川中封印了成百上千年的微生物正释放到环境中。弗雷和同事们采集并在实验室里研究的细菌、病毒或真菌，多数都不为现在的科学界所知。这是最令他着迷的地方。
他说：“永久冻土和冰层中埋藏着数以万计的微生物种类，但我们既不认识它们，也不知道它们的作用。”
弗雷的目标是趁着瑞士阿尔卑斯山脉地区的微生物彻底消失之前，详细记录它们的多样性。一个新的项目(英)外部链接首次聚焦冰川，特别是莫特拉奇冰川(注：位于格劳宾登州)、罗纳冰川(注：位于瓦莱州)和查恩弗雷龙冰川(注：位于瓦莱州和沃州)。这几座冰川横跨瑞士东西轴，是阿尔卑斯冰川多样性的代表。
从冰栖细菌和病毒中提取新药
微生物是最古老的生命形式之一，能够提供气候演变的珍贵信息。蒙大拿州立大学土地资源与环境科学系的生态学教授约翰·普里斯库(John Priscu)(英)外部链接在接受瑞士资讯采访时表示：“它们对过去的气候变化做了特殊的记录。”普里斯库教授是世界上冰川生态系统微生物多样性研究最权威的专家之一。
例如，分析冰层中的微生物群体可以揭示温度、湿度和大气气流的变化。一些被冰封存的细菌可以产生甲烷这种强效温室气体，从而影响地球气候。
“永久冻土和冰层中藏着数以万计的微生物种类，但我们既不认识它们，也不知道它们的作用。”
比特·弗雷(Beat Frey)，瑞士联邦森林、雪和景观研究所的微生物学家
这些只有几分之一毫米大小的微小生物，也可能激发新药物的研制和创新生物技术的灵感。有些可能在对抗抗生素耐药性细菌时发挥作用。近期又有一项令人振奋的研究发现，细菌和真菌可以在低温下降解塑料(英)外部链接。
“这是我们的长期愿景：找到一些全球性问题的解决方案，” 比特·弗雷边说，边从背包里掏出防滑冰爪。
我们来到冰川边缘。上游几百米处，森林、雪和景观研究所的研究人员已经安装了设备，用于采集冰层中的微生物。他们正在测试一种在瑞士研发的新过滤方法。这种方法也可以在世界上其他地区使用。
我们在鞋底绑好冰爪，踏上了冰面。
罗纳冰川是阿尔卑斯山脉冰川消融的典型案例
在朝冰川行进的路上，比特·弗雷注意到，山顶的积雪几乎已经全部融化。尽管春天有过大量降雪，但随之而来的夏天气温过高。8月末，海拔约2300米的地区气温可以达到14°C，而回顾1991年到2020年间，该海拔地区8月份的平均气温(英)外部链接大约为10°C。
绵延8公里、面积约15平方公里的罗纳冰川，是瑞士阿尔卑斯山脉最宏伟的冰川之一。以这里为源头的罗纳河是西欧最重要的河流之一。
同时，罗纳冰川也是全球变暖效应的标志性案例。如今，吸引众多游客的地标性冰洞已经与冰川的其他部分隔离开来。夏天，冰洞需要用白色土工布遮挡，反射阳光，以减缓其融化速度。然而，罗纳冰川似乎无法摆脱日渐消逝的命运。
1850年以来，罗纳冰川和瑞士其他冰川体积缩减超过60%。2023年到2024年间，2.5%的消融率已经超过了过去十年的平均水平。众多研究(英)外部链接表明，除非未来几年温室气体排放出现断崖式减少，否则，大部分阿尔卑斯山脉冰川都可能在本世纪末消失殆尽。
实验室里一百公斤的冰块
抵达罗纳冰川顶部临时搭建的微生物采集点时，弗雷问他的微生物学家同事：“现在有多少升了？”比特·施蒂尔利(Beat Stierli)也是森林、雪和景观研究所的工作人员。他正从冰川一处面积不大的天然池中抽取冰川融水，并收集到一个塑料袋里。
他解释说：“细菌和病毒的浓度很低。要想有所收获，就必须泵出大量冰水。”
他的团队将融水装入容器，为接下来的两次过滤做准备。第一轮滤出细菌和真菌(即体积相对较大的微生物)，第二轮过滤病毒。
>> 冰层中的细菌和病毒：以下视频展示了研究人员从冰川中采集微生物的过程，以及保存这些微生物样本的重要性。
当被问及为何不采取更便捷的方式，譬如像其他研究团队那样(英)外部链接在冰川底部收集融水时，弗雷坦言，用那种方式采集的样本，会被雨水或其他外部因素混入的微粒或微生物“污染”。
直接在冰川上过滤融水，必须采取额外的预防措施，例如佩戴防护手套，避免样本污染，并将过滤器置于无菌容器中。
尽管有些麻烦，不过，与传统方式相比，新的过滤方法具有决定性优势。传统方法需要将冰块取芯，并运回实验室。以科学家们在喜马拉雅山脉取冰过程为例，研究人员需要前往偏远且高海拔的冰川。由于周围环境极其恶劣，他们必须面对低温、低氧和险峻的地形条件。
科考采样地点位于中国西部古里亚冰川的高原上，海拔高达6200米。科研团队使用专门的钻探设备深入冰川，钻取的冰芯深度为309.7米，直径约为10厘米。冰芯穿透至冰川的基岩。钻取时，冰川表面温度可达零下21.2℃，冰芯温度在10米深处则是零下11.6℃，在冰川底部为零下2.1℃。钻取到了深309.7米的冰芯，而这些冰芯保存了数万年的气候数据。钻取后的冰芯被分为大约1米长的段，密封在塑料管中，再装入铝覆盖的纸板管中。
将取出的冰芯运送下山，又是一项艰巨的任务。冰川地区通常无法使用车辆运输，因此，科学家们只能依赖牦牛来搬运冰芯。一般情况下，每头牦牛可承载约十几米长的冰芯切片。
“运送装有过滤器的塑料容器，可比运输上百公斤的冰块要容易得多，”比特·弗雷说。
这种过滤方式也可以在格陵兰岛和北极其他偏远地区推广。
古老的病原体是否会从冰层中“苏醒”?
比特·弗雷期望找到有益于人类的微生物，但也不能排除发现不需要的、存在潜在危险生物体的可能性。
一些科学家发出警告(英)外部链接，在西伯利亚北极地区永久冻土层中冰封了数千年的病毒，可能会因全球变暖而“苏醒”，并再次传播。2020年，在挪威位于北极地区的斯瓦尔巴群岛采集的环境样本显示，那里存在可能引发疾病的细菌(英)外部链接。
>> 延伸阅读：冰川中是否会出现新的病毒大流行？
大约15年前，弗雷开始研究永久冻土，并始终对自己的工作时刻表现得非常谨慎。他从未遇到过任何威胁。在他看来，融化的冰层或高山永久冻土释放病原体的可能性“极低”。
“在冰川中有可能会发现有益于人类的微生物。”
阿文·爱德华兹(Arwyn Edwards)，英国威尔士亚伯大学环境微生物学跨学科研究中心主任
冰川中的微生物高度适应寒冷，在温暖的环境中几乎无法生存。尽管它们有可能影响附近的其他微生物，但人类和动物并非它们的常见宿主。
但英国威尔士亚伯大学环境微生物学跨学科研究中心主任阿文·爱德华兹外部链接(Arwyn Edwards)提醒道，与未知微生物打交道时，即便再低的概率也不能完全排除这种风险。虽然爱德华兹本人并未参加瑞士的项目，但他认为：“(这里)有可能会发现有益于人类的微生物。”
3天收集600升融水
午后，云层几乎遮住了整个天幕，在冰川上投下狭长的阴影。一阵冷风吹过，我们这才想起山中气候如此多变。
比特·弗雷对当天的工作成果相当满意。今天，他的助手抽出大约200升融水，与前两天的成果持平。阿尔卑斯山濒危的微生物宝藏中，至少有一部分得以保存了。
不过，要判断研究人员是否提取到了对人类有用的细菌或病毒，还言之尚早。他们的首要任务是对其识别，并在实验室中对其属性进行深入探究。
从寒冷到极寒
贝内迪克·格伦茨(Benedikt Gruntz)提醒大家：“里面会有点冷。”离上次实地考察已经过去了几个星期。尽管这次是室内，但只有4°C，比在罗纳冰川上还冷。
格伦茨打开一间冷室的门。我们现在身处瑞士联邦森林、雪和景观研究所总部所在地，苏黎世市区近郊的比门斯多夫镇。这位年轻的研究员就在这里对夏天采集的样本进行分析。他对病毒很感兴趣，手里的试管盛着过滤融水得到的物质。
格伦茨需要提取样本的DNA，以确认其病毒种类。随后，他会将遗传材料寄给专门从事DNA测序的外包公司。这项技术可以破译遗传密码，进而对微生物进行识别和归类。研究所认为病毒数量能达到数百种。
对抗抗生素耐药性细菌的病毒
格伦茨的关注重点是噬菌体-一种专门感染细菌的病毒，因此可以调节微生物种群。他解释说，来自冰川或永久冻土等极端环境的噬菌体，可以在人类对传统抗生素不再做出反应时用于细菌感染的治疗。
>> 延伸阅读：莱茵河噬菌体：超级细菌的天敌
抗生素耐药性在世界各地都呈上升趋势，每年造成120万人死亡(英)外部链接，其危害甚至超过艾滋病毒或疟疾。抗生素耐药性被认为是全球十大健康威胁之一。联合国更是称其为“无声的流行病”。
在药物中使用噬菌体尚不常见，但前景广阔。2023年，日内瓦大学医院在治疗一位慢性细菌性肺部感染患者(英)外部链接时进行了首次尝试。
>> 以下视频演示了噬菌体如何感染和消灭细菌
独一无二的瑞士生物库
从瑞士冰川和永久冻土采集到的细菌和真菌保存在森林、雪和景观研究所一个特殊的冷库中。这座生物库(英)外部链接类似一个“生命档案馆”，它可以在零下80°C的环境中保存样本。
目前，包括来自格陵兰岛、俄罗斯和挪威斯瓦尔巴群岛的样本在内，生物库中总计存放着约1200种细菌，约300余种真菌。
据生物库管理者安雅·韦尔兹(Anja Werz)介绍，这可能是全世界唯一一个用于储存在极寒条件下生存的细菌和真菌的生物库。
>> 观看如下视频，进一步了解生物库及其重要性
新药的潜在候选者
这个项目的目的，不仅是保存冰川和永久冻土中微生物的多样性，还要研究其特性。韦尔兹表示，细菌可以产生具有抗癌、抗生素或抗氧化特性的新分子。
研究所的科学家们尤其关注能使细菌在寒冷环境中生存的蛋白质和酶。其中一些展现出对抗抗生素耐药性的潜力。对此，比特·弗雷非常兴奋：“这将是一项了不起的发现。”
以产生抗生素而闻名的链霉菌属细菌，已被确定为大有前途的候选菌。
吞噬塑料的细菌
在瑞士阿尔卑斯山和北极地区分离出的细菌，能够在低至15°C的温度环境下降解两种塑料-聚氨酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯。家用海绵、运动鞋和生物降解袋中都含有这些塑料。
近期的革命性发现显示，这些细菌中的酶可以用在生物反应器中降解塑料。这种类似蓄水池的装置利用微生物破坏塑料中的化学键，并将其转化为更小的可回收碎片。
低温下活跃的酶也能帮助我们降低某些工业流程中的能耗。比特·弗雷表示：“将来我们需要耗能极低的解决方案时，它们会大有帮助。”
“我们仅仅是微生物学家”
目前，瑞士联邦森林、雪和景观研究所的科学家们计划对生物库中储存的样本进行筛查，希望找到能够分解塑料聚合物的物种。
下一步是识别出其中起作用的酶。比特·弗雷解释说：“这样，我们就可以在实验室里合成这些酶，并大量生产。”将来有一天，这些酶可以在制造阶段直接加到塑料中，促进其之后的降解。
然而，前方的道路还很长。“我们只是微生物学家，可以提供理论基础。但各行业的其他参与者必须承担起他们的责任。”他补充道。
将来，冰层和永久冻土细菌及真菌生物库将移交至瑞士培养物保存中心外部链接(Culture Collection of Switzerland, CCOS)。该中心是瑞士联邦政府的国家微生物档案馆，将在未来几十年为这些样本提供安全的保护。
瑞士以及世界各地的冰川还会继续融化。化石燃料的使用短期内也不会改变。然而，瑞士科学家们长途跋涉，不断在冰川中上下求索。他们相信，如果他们能够找到解决全球主要危机的方案，至少这些冰川不会白白融化。
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(编辑：Sabrina Weiss，编译自英语：武建博/yz)
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