有時(shí)候我們會(huì)在電影場(chǎng)景里看到，劇情主角到處尋找看似荒唐的投資項(xiàng)目，其中有一個(gè)劇情就是將北極的冰山運(yùn)到內(nèi)蒙古自治區(qū)的阿拉善沙漠。這個(gè)項(xiàng)目從實(shí)際角度來看是不太可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楸綇谋睒O到阿拉善沙漠的運(yùn)輸過程極其復(fù)雜，氣候、溫度、運(yùn)輸成本等因素都是極大的阻力。

雖然現(xiàn)實(shí)中沒人會(huì)把北極冰川搬到阿拉善沙漠，但是，冰川卻有著極大的研究?jī)r(jià)值，科學(xué)家們經(jīng)常從各地冰川中鉆取冰芯，運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室開展研究。比如，美國俄亥俄州立大學(xué)的科學(xué)家就從我國青藏高原冰川取回的冰芯樣本中發(fā)現(xiàn)了超過 1700 種古老病毒。

如何從喜馬拉雅山取冰運(yùn)冰？

青藏高原作為“第三極”，其上的冰川不僅記錄了數(shù)萬年來的氣候變化，還蘊(yùn)藏著豐富的微生物和病毒群落信息，具有極高的科研價(jià)值。

近年來，中國啟動(dòng)了第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究（第二次青藏科考），其中，冰川研究是重要的任務(wù)之一。科考團(tuán)隊(duì)通過對(duì)冰川的鉆探與分析，深入研究冰川環(huán)境的變化、微生物多樣性以及冰川對(duì)氣候變化的響應(yīng)，為全球氣候研究和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)提供了寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)。

科學(xué)家們?cè)谙柴R拉雅山脈取冰的過程非常復(fù)雜，通常需要前往偏遠(yuǎn)且高海拔的冰川，采樣地點(diǎn)位于中國西部古里亞冰川的高原上，海拔高達(dá) 6200 米，科研團(tuán)隊(duì)使用專門的鉆探設(shè)備深入冰川，鉆取的冰芯深度為 309.7 米，直徑約為 10 厘米，冰芯穿透至冰川的基巖。

鉆取時(shí)，冰川表面溫度可達(dá)零下 21.2℃，冰芯溫度在 10 米深處則是零下 11.6℃，在冰川底部為零下 2.1℃。科學(xué)家們鉆取到了深 309.7 米的冰芯，這些冰芯可以保存數(shù)萬年的氣候數(shù)據(jù)，由于高海拔地區(qū)的環(huán)境極其惡劣，科學(xué)家們必須面對(duì)低溫、低氧和險(xiǎn)峻的地形條件。

鉆取后的冰芯被分為大約 1 米長(zhǎng)的段，密封在塑料管中，再裝入鋁覆蓋的紙板管中。此后，將取出的冰芯運(yùn)送下山則是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)檫@些冰川地區(qū)通常無法使用車輛運(yùn)輸。

因此，科學(xué)家們只能依賴牦牛來搬運(yùn)冰芯。一般情況下，每頭牦牛可承載約十幾米長(zhǎng)的冰芯切片，這些牦牛不僅能夠適應(yīng)高山惡劣的氣候和地形，還能夠幫助科學(xué)家將冰芯從高海拔的采集地點(diǎn)運(yùn)輸?shù)礁秃０蔚牡胤健?/p>

冰川冰芯采樣。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

當(dāng)冰芯被運(yùn)送至較低海拔后，科學(xué)家們會(huì)將其妥善包裝，確保冰芯在整個(gè)運(yùn)輸過程中保持冷凍狀態(tài)。之后，這些冰芯會(huì)被裝入冷凍車，運(yùn)送至科研實(shí)驗(yàn)室，通過這些冰芯，科學(xué)家可以深入了解古代氣候和微生物生態(tài)系統(tǒng)的演變，從而揭示氣候變化對(duì)微生物群落的影響。

研究冰川古病毒有什么意義？

冰川是地球上時(shí)間信息和古氣候、生態(tài)系統(tǒng)的天然存檔。古里雅冰川中的冰核涵蓋了超過 41000 年的歷史紀(jì)錄，保存了來自不同時(shí)間段的氣候和微生物信息。這項(xiàng)研究旨在揭示這些病毒群落隨冷暖氣候變化的動(dòng)態(tài)，以及它們?cè)诠糯鷳B(tài)系統(tǒng)中的作用。

研究團(tuán)隊(duì)通過從青藏高原古里雅冰川的冰核中提取病毒基因組，成功重建了 大約 1705 個(gè)物種水平的病毒。這些基因組來自九個(gè)不同時(shí)期的樣本，這些樣本跨越了過去四萬多年中的三個(gè)冷暖氣候循環(huán)。

在冰川環(huán)境中，由于極端寒冷和營(yíng)養(yǎng)匱乏，微生物數(shù)量通常非常低，導(dǎo)致提取到的DNA量也很少，這給基因組拼裝帶來了挑戰(zhàn)。相比于之前研究中僅恢復(fù)的 33 個(gè)病毒基因組，此次研究通過更深度的測(cè)序和優(yōu)化的低生物量冰川宏基因組拼裝方法，極大地增加了病毒基因組的數(shù)量，為研究冰川保存的病毒提供了大量的新數(shù)據(jù)。

古里雅冰川病毒在全球不同環(huán)境中的分布。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

為了對(duì)這些新發(fā)現(xiàn)的病毒進(jìn)行深入分析，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用了基于基因共享網(wǎng)絡(luò)的分類方法，結(jié)合公共數(shù)據(jù)庫中的參考病毒基因組，建立了病毒操作分類單元和病毒群落的分類體系。

通過這種方法，他們發(fā)現(xiàn)了一些特定的病毒屬（如Phikmvvirus和Rauchvirus），并揭示了這些病毒在冰川保存的環(huán)境中可能的生態(tài)角色及其與宿主微生物之間的相互作用。這些發(fā)現(xiàn)極大地?cái)U(kuò)展了我們對(duì)冰川病毒多樣性和生態(tài)功能的理解。

冰川病毒對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵作用

冰川病毒對(duì)宿主微生物的生態(tài)影響，揭示了病毒在冰川生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵角色。研究表明，古里雅冰川中的病毒對(duì)宿主微生物（主要是黃桿菌屬、冷桿菌屬和極地單胞菌屬）施加了持續(xù)的病毒感染壓力，這些宿主微生物通常是冰川環(huán)境中占主導(dǎo)地位的種群。通過分析病毒與宿主之間的聯(lián)系，研究發(fā)現(xiàn)，黃桿菌屬在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)受到的病毒壓力最大，這意味著這些病毒可能在漫長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)對(duì)冰川生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了重要影響。

除了宿主感染壓力外，研究還揭示了病毒通過輔助代謝基因（AMGs）對(duì)宿主代謝產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。病毒基因組中發(fā)現(xiàn)了多種與宿主代謝相關(guān)的AMGs，尤其是在輔因子和維生素代謝路徑中。

研究推測(cè)，這些基因可能有助于宿主適應(yīng)極端環(huán)境——如冰川表面的寒冷和低營(yíng)養(yǎng)條件，從而提升宿主的生存能力，同時(shí)也提高了病毒的適應(yīng)性。通過這些代謝基因，病毒可能在冰川生態(tài)系統(tǒng)中扮演了“生態(tài)調(diào)控者”的角色，影響了微生物的生長(zhǎng)、代謝和環(huán)境適應(yīng)性。

這些結(jié)果表明，冰川病毒不僅通過感染宿主微生物施加壓力，還通過代謝調(diào)控影響宿主在極端環(huán)境中的適應(yīng)性，這進(jìn)一步揭示了病毒在古代生態(tài)系統(tǒng)中的重要生態(tài)角色。

古病毒對(duì)人體有威脅嗎？

在這些重建的 1705 個(gè)病毒基因組中，有 97% 的病毒無法歸類于已知的病毒屬，表明這些冰川保存的病毒具有高度的新穎性。這些新病毒主要屬于 Caudoviricetes 綱，但在此次研究中僅有 12 個(gè)病毒屬被明確分類，包括 Carjivirus、Nickievirus、Myxoctovirus 等，其余病毒由于缺乏與已知病毒基因組的相似性，展示了冰川環(huán)境中可能存在大量未被發(fā)現(xiàn)和研究的病毒類群。

關(guān)于從冰川釋放的古病毒是否對(duì)人體有威脅的問題，當(dāng)前的研究對(duì)此持謹(jǐn)慎的態(tài)度。首先，古病毒被保存于冰川數(shù)萬年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，與現(xiàn)代生物體隔離，因此它們可能已經(jīng)失去了感染現(xiàn)代宿主的能力。其次，這些病毒在極端寒冷和無氧環(huán)境中處于休眠狀態(tài)，可能經(jīng)過了長(zhǎng)期的遺傳漂變和進(jìn)化，與現(xiàn)代病毒或微生物宿主存在顯著差異，因而不一定能夠有效感染或繁殖于現(xiàn)代人類或動(dòng)物體內(nèi)。

然而，隨著氣候變化加劇和冰川融化，這些古病毒有可能重新暴露于外界環(huán)境，并進(jìn)入空氣、水體或土壤等介質(zhì)。雖然大多數(shù)冰川病毒是感染細(xì)菌和其他微生物的噬菌體，但考慮到古代病毒群落的多樣性以及我們對(duì)其生物學(xué)特性了解的有限性，不能完全排除某些病毒具備感染現(xiàn)代宿主的潛力，特別是在免疫力較低的個(gè)體或環(huán)境適應(yīng)能力不足的情況下，這些重新暴露的病毒可能會(huì)對(duì)某些微生物群落產(chǎn)生影響，進(jìn)而間接影響人類健康或生態(tài)系統(tǒng)。

目前，雖然并沒有直接證據(jù)表明這些古病毒對(duì)人體構(gòu)成直接威脅，但科學(xué)界認(rèn)為，隨著冰川融化帶來更多未知病毒的暴露，必須保持高度警惕并開展進(jìn)一步研究，以監(jiān)測(cè)和評(píng)估這些病毒的潛在風(fēng)險(xiǎn)。為了應(yīng)對(duì)未來可能的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)家們呼吁需要制定更嚴(yán)格的監(jiān)控措施來了解這些病毒的特性及其在氣候變化背景下的潛在影響。

結(jié)語

目前的研究，通過對(duì)冰川中保存的病毒的分析，為我們理解地球歷史上的氣候變化提供了新的視角。冰川病毒記錄了數(shù)萬年來的氣候和生態(tài)系統(tǒng)變化，這對(duì)于區(qū)分自然氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響具有重要意義。

此外，這些病毒可能在古代生態(tài)系統(tǒng)中扮演了關(guān)鍵角色，特別是在極端環(huán)境下對(duì)宿主微生物的代謝調(diào)控。期待未來更多研究的開展，進(jìn)一步揭開冰川中被溫度和時(shí)間凍結(jié)的秘密。

參考文獻(xiàn)

[1]Zhong, Zhi-Ping, et al. "Glacier-preserved Tibetan Plateau viral community probably linked to warm–cold climate variations." Nature Geoscience (2024): 1-8.

[2]Schuur, Edward AG, et al. "Climate change and the permafrost carbon feedback." Nature 520.7546 (2015): 171-179. 

[3]Legendre, Matthieu, et al. "Thirty-thousand-year-old distant relative of giant icosahedral DNA viruses with a pandoravirus morphology." Proceedings of the National Academy of Sciences 111.11 (2014): 4274-4279. 

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出品丨科普中國

作者丨Denovo團(tuán)隊(duì)

監(jiān)制丨中國科普博覽

責(zé)編丨董娜娜

審校丨徐來 林林