自然科普：气候变暖或唤醒极地冻土里的致命病毒

　　南北两极的冰天雪地，除了有美景和可爱动物，还是一个失落的古代世界：致命病毒、大量的汞和温室气体都冰封于此。

 

　　撰文｜祝叶华

 

　　当人们的注意力集中在肆虐于多国的新冠病毒疫情时，另一场值得防范的危险也在悄悄积聚。2月9日，南极西摩岛监测到20.75℃的高温（目前世界气象组织已经开始对南极监测到的高温记录正式进行评估）。1月7日一篇发表在bioRxiv的论文则显示，美国科学家在青藏高原冰核样本中发现了古老病毒存在的证据，其中包含28种新病毒。

 

　　极地冰原就像来自遥远过去的时间胶囊,让人类有机会得以一窥被困在那里的生物体。但随着地球稳步进入更温暖的未来，极地的冰川冻土正面临着更大的融化风险，某些潜伏在冰层中的致命病菌，也许正伺机而动，待时机成熟时杀人类一个“回马枪”。

 

　　永久冻土并不“永久”

 

　　永久冻土主要存在于北半球，在那里它覆盖了大约四分之一的无冰土地，数千年来，这里的大部分土地都是由泥土、岩石和冰构成的胶结体，还有一些在深度冻结中保存下来的有机物。它覆盖了北极圈和北方森林之间的一大片地带，横跨阿拉斯加、加拿大、北欧和俄罗斯。南半球的冻土层较少，主要存在于南美洲的安第斯山脉和南极洲下，深度从几米到100多米不等。

 

　　永久冻土分为上下两层：上层每年夏季融化，冬季冻结，称活跃层（又称冰融层）；下层常年处在冻结状态，称永冻层或多年冻层。永冻层寒冷、黑暗、无氧，pH值是中性的，对于那些不需要任何新陈代谢活动的生物来说，这是最好的生存环境。这意味着冻结在休眠状态的微生物、种子和孢子可能会随着温度的升高而苏醒。

 

　　随着全球气候变暖的不断加剧，南北极在加速变暖，北极变暖速度更是全球平均水平的两倍，长此以往持续下去，永冻层常年冻结的状态就有可能被打破。2016年，北极融水渗入了距离北极点约1000公里的挪威斯瓦尔巴群岛的一处山洞中。这里是世界末日种子库，数以百万计收集到的种子被无限期地冻结在此，这是人类在全球农作物因大灾难而规模性损失的情况下重启农业的一种保障。好在这一次渗入的融水在到达种子库之前就重新结冰了，并未破坏冰冻储藏的种子，最终虚惊一场，不过还是给世人敲响了气候变暖的警钟[1]。

 

　　等待苏醒的病毒

 

　　20世纪初，在西伯利亚暴发的炭疽热曾导致约150万头驯鹿死亡。这些动物，连同受感染的牛，都埋在永久冻土层的活跃层中。当温度升高时，尸体会释放炭疽孢子，这些孢子很容易被重新激活成为感染性细菌。2016年西伯利亚暴发的炭疽热导致一名12岁男孩死亡，数十人住院治疗，2000多头驯鹿死亡。科学家推断，这次感染的暴发或许可以追溯到一具古老的驯鹿尸体，它是在有记录以来最温暖的北极夏季从永久冻土层中融化出来的[2]。

 

　　冰封在西伯利亚冻土内的病毒并不只有炭疽孢子，被人熟知的天花和流感病毒可能也埋藏在这里。1918年-1919年，西班牙流感曾造成全球5000万到1亿人死亡，作为人类历史上单位时间死亡人数最多的一场瘟疫，西班牙流感在重创人类世界之后，病毒神奇消失，逃得无影无踪。直到20世纪90年代末期，科学家才成功地从阿拉斯加冰冻的因大流感死亡的人类尸体上获得了西班牙流感病毒。最终通过基因测序，人们第一次知道了这到底是一种什么病毒。

 

　　2012年，俄罗斯科学家成功“复活”了3万年前的远古植物(名为Silene stenophylla)，这些标本是从俄罗斯东北部永久冻土层125英尺深的古松鼠洞穴中找到的。在营养丰富的试管中，被冷冻了300个世纪的幼苗恢复了正常的生命活动，它们在塑料罐里和土壤里生长，开花结果。不仅如此，2014年和2015年，法国科学家还从这个古松鼠洞穴的沉积物中发现了另外两种尚能存活的两种3万年前的史前病毒——Pithovirus sibericum和Mollivirus sibericum。它们可以用光学显微镜观察到，长度超过0.5微米，所以也被称为“巨型病毒”。在确定复活这些病毒不会对动物或人类构成威胁之后，研究人员在实验室培养皿中“唤醒”了它们。这两种病毒会感染并杀死阿米巴原虫，它们在史前永久冻土层中保持传染性的事实引起了关注[3-4]。

 

　　不过，科学家推测，即便没有全球变暖，冰冻的病毒也有可能在几个世纪后重新回到环境中。北极湖泊因自然规律而固有的周期性融化会释放出之前被冻结的病毒，它们会被候鸟带走或随融水进入海洋中，传播到人类居住的地方。最近，加利福尼亚大学戴维斯分校的一项研究显示，北极海冰的减少会加速传播一种可能威胁北太平洋海洋哺乳动物的致命病毒Phocine distemper virus(PDV)。PDV是一种已知的致病菌，在某些海豹种群中已经存在了几十年。自1988年以来，PDV已经引发了几起涉及数万只动物的大规模死亡事件。研究人员研究了2001-2016年的追踪数据，这些数据通过卫星追踪了不同地区的2500只海洋哺乳动物，以确定PDV的上升是否与海冰的减少有关系。其中有一个典型案例：2002年8月，海冰融化量达到了创纪录的水平，随后在2003年和2004年，北太平洋的Steller海狮暴发了大规模的PDV接触和感染，科学家们认为冰川融化可能是罪魁祸首。这项历时15年的研究结果强调了往日海冰的彻底重塑可能为北极和亚北极海豹之间的接触开辟了道路，这使得病毒得以进入北太平洋[5]。

 

　　冰下还潜伏着什么？

 

　　古代动植物的遗骸一直长眠于冻土中，融化的永久冻土将使长期冻结的有机物被土壤微生物分解，从而释放温室气体，这是一个潜在的重要的温室气体排放源。

 

　　科学家们很早就知道，永久冻土所含的碳几乎是大气的两倍——其中一大部分是腐烂的古代植物和动物的遗骸带来的，随着冻土解冻，会有大量二氧化碳和甲烷慢慢释放出来。虽然随着气温的升高，北极植被的绿化率提高，部分二氧化碳会被植物吸收，但最近一项研究显示，冻土变暖释放出的温室气体比以前想象的多得多。这个过程被称为“突然解冻”，虽然可能只会影响北极永久冻土层5%的面积，但科学家保守估计，这或许足以使永久冻土层对全球变暖的总体贡献增加一倍[6]。冻土融化-释放温室气体-气温升高-冻土融化，这个潜在的恶性循环正在发生。

 

　　当然，永冻层排放的温室气体仍然比我们燃烧煤炭、石油和天然气排放的要少。也有专家提出，并不是所有的碳都会直接转化为温室气体。但任何数量的排放都将加速永久冻土层的融化。到目前为止，冻土层的融化预计将使人为造成的气候变化扩大10%左右。除了这个不可估算的数量，很难预测永久冻土层还会解冻多少——主要是因为这取决于人类的决定[7-8]。

 

　　除了加剧气候变暖的碳，北极永久冻土也是地球上最大的汞储存库。科学家们现在认为，永久冻土中冰封的汞几乎是土壤、海洋和大气中汞含量总和的两倍。重金属（特别是汞）以及其他目前储存在冰川和永久冻土层中的遗留污染物的释放，将降低淡水生物群赖以生存的水质。科学家们不知道这种汞会释放多少，何时释放，但他们确实知道：持续的融化使汞更有可能被释放，污染海洋，并在食物链中积累[9]。

 

　　极地冰雪不但禁锢着危险，也保存了两极地区的古代动物遗迹和人类历史。5000年前去世的冰人奥茨的尸体就很好地保存在阿尔卑斯山中。冰使得他的尸体不致腐烂，这样人类才得以窥探他曾经生活的轨迹。另外，北极可能还有其他的水獭或尚未被发现的猛犸象的DNA。冰川的融化会加重这些宝藏暂时脱离冰层，甚至是被摧毁的风险。这对人类了解地球历史而言，将是巨大的损失。

 

　　参考文献

 

　　[1] https://weather.com/news/news/svalbard-doomsday-vault-flooded-permafrost-melt.

 

　　[2] https://secretsoftheice.com/news/2017/03/09/virus-microbes-ice/.

 

　　[3] Yashina et al. March 6, 2012. 109 (10) 4008-4013.

 

　　[4] https://www.pnas.org/content/early/2015/09/02/1510795112.abstract.

 

　　[5] E. VanWormer, J. A. K. Mazet, A. Hall, et al. Viral emergence in marine mammals in the North Pacific may be linked to Arctic sea ice reduction. Scientific Reports, 2019 DOI: 10.1038/s41598-019-51699-4.

 

　　[6] Merritt R. Turetsky, Benjamin W. Abbott, Miriam C. Jones, et al. Carbon release through abrupt permafrost thaw[J]. Nature Geoscience, 2020, ttps://doi.org/10.1038/s41561-019-0526-0.

 

　　[7] https://www.nationalgeographic.com/science/2020/02/arctic-thawing-ground-releasing-shocking-amount-dangerous-gases/.

 

　　[8] https://www.discovermagazine.com/the-sciences/artic-meltdown-were-already-feeling-the-consequences-of-thawing-permafrost.

 

　　[9] Paul F. Schuster et al, Permafrost Stores a Globally Significant Amount of Mercury, Geophysical Research Letters (2018). DOI: 10.1002/2017GL075571.