海洋驅(qū)動(dòng)著多個(gè)全球系統(tǒng)，

讓地球變得適宜人類居住。

我們的雨水、飲用水、天氣、氣候、海岸線、多種糧食，甚至連空氣中供我們呼吸的氧氣，從本質(zhì)上講都是由海洋提供和調(diào)控的。雖然，海洋是地球上最重要的生態(tài)資源，但也是人類了解最少、利用最少的生態(tài)資源。

全球關(guān)于海洋的各類數(shù)據(jù)還存在巨大的缺口，由于衛(wèi)星觀測(cè)無(wú)法穿透地表水，所以這并不令人驚訝。大多數(shù)海洋數(shù)據(jù)是通過直接測(cè)量或建模收集的，因此很難對(duì)覆蓋地球表面70%以上的廣闊環(huán)境實(shí)現(xiàn)良好覆蓋。

不過，有些問題的存在是因?yàn)槿狈θ騾f(xié)調(diào)，比如珊瑚礁和海洋垃圾都缺乏全球數(shù)據(jù)庫(kù)。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）擁有最大的珊瑚礁數(shù)據(jù)庫(kù)，但它并沒有利用全球所有資源。同樣，不同國(guó)家以不同協(xié)議收集海洋垃圾數(shù)據(jù)，尚未在全球范圍內(nèi)得到統(tǒng)一。除了垃圾的數(shù)量和分布，關(guān)于海洋垃圾的生態(tài)影響也存在顯著的知識(shí)缺口，包括攝入的毒性、納米粒子、微塑料的影響，以及魚類攝入的塑料如何影響人類消費(fèi)，這些問題、數(shù)據(jù)和結(jié)論都有待科學(xué)界給出答案。

圖片by NOAA

海洋知識(shí)的匱乏，對(duì)于普通公眾來(lái)說從來(lái)都算不上是個(gè)問題。盡管全球有超過30億人的生計(jì)依賴于海洋和沿海的多種生物。在全球范圍內(nèi)，海洋和沿海資源及產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)價(jià)值估計(jì)每年達(dá)3萬(wàn)億美元，占全球GDP的5%左右。但是，人們對(duì)于海洋了解多少，似乎并不影響我們從中得到好處。2020年這種情況從“冰川消融”這個(gè)問題開始有所轉(zhuǎn)變。因?yàn)樾鹿诜窝滓咔榈谋l(fā)，人們對(duì)病毒的各種“前塵往事”都無(wú)比關(guān)注，追本溯源。因?yàn)楸ㄈ诨瘜?dǎo)致海平面上升同時(shí)還釋放出大量未知病毒，這些被“封印”千年的病毒重新被喚醒，到底對(duì)人類有多大危害一時(shí)并不清楚。

↑↑這張?jiān)诠逻d灣一個(gè)陽(yáng)光明媚的夏日拍攝的海冰照片隱喻地展示了北極海冰可能的未來(lái): 越來(lái)越多的融化，一滴一滴的融化。

圖片by Maria Scheel, Aarhus University, Roskilde, Denmark

一項(xiàng)對(duì)冰凍圈病毒的研究表明，每年約有3.15×1021個(gè)細(xì)菌和古菌細(xì)胞從北極冰川冰中釋放到下游環(huán)境中。按照冰川中平均病毒-細(xì)菌比為30:1計(jì)算，每年將有1023個(gè)病毒從北極冰川釋放到下游環(huán)境。在這個(gè)過程中，被困于冰凍圈中幾萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)年的細(xì)菌和病毒會(huì)直接釋放到環(huán)境中，這對(duì)人類生存產(chǎn)生潛在危害。

2016年，西伯利亞爆發(fā)了炭疽熱，2000多頭馴鹿因此死亡，并使得96人住院。相關(guān)研究表明，此次疫情是由于多年凍土的融化使得一具感染了炭疽芽孢的鹿尸解凍而引起的。此外，相關(guān)研究自西伯利亞凍土中復(fù)活了一種具有3萬(wàn)年歷史的巨病毒，并發(fā)現(xiàn)這種病毒仍可感染它的靶標(biāo)——單細(xì)胞變形蟲。

冰凍圈（cryosphere）是地球表層連續(xù)分布且具一定厚度的負(fù)溫圈層，其組成要素包括冰川（含冰蓋）、積雪、凍土、河冰、湖冰、海冰、冰架、冰山，以及大氣圈內(nèi)的凍結(jié)狀水體，是地球上獨(dú)特而極端的生物生境。冰凍圈微生物譜，特別是冰芯微生物譜保存著古氣候的信息，是研究全球氣候變化的重要生物學(xué)信息寶庫(kù)。

全球氣候變化導(dǎo)致的氣溫加速上升，冰凍圈微生物活動(dòng)對(duì)冰凍圈的反饋及其在冰凍圈溫室氣體排放中的作用，是當(dāng)今全球變化不可忽視的重大科學(xué)問題。現(xiàn)今地球冰凍圈，特別是冰芯、冰下湖等生境，與生命起源早期的地球有些許的相似之處；冰凍圈微生物的生命過程及特征，可能為我們深入了解生命的起源和生命的低溫適應(yīng)極限，提供某些啟示。冰凍圈被認(rèn)為是地球上類似于火星、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四和木衛(wèi)六等星球的環(huán)境，冰凍圈微生物的線索有望為地外生命的探索提供啟示。

▼

1.冰層永久性地覆蓋了陸地表面的10%，只有一小部分出現(xiàn)在南極洲和格陵蘭島之外。在年平均值上，冰也覆蓋了大約7%的海洋。

2.在隆冬時(shí)節(jié)，雪覆蓋了北半球大約49%的陸地表面。

3.冰雪的一個(gè)重要特性是它的高反照率。由于高達(dá)90%的入射太陽(yáng)輻射被冰雪表面反射，而只有大約10%被公?；蛏址瓷洌└采w的變化是氣候變化的重要反饋機(jī)制。

4.此外，冰雪是有效的絕緣體。季節(jié)性凍土比積雪覆蓋面積更大，它的存在對(duì)能量和水分通量很重要。

冰-海洋-大氣相互作用Credit: NASA

↑↑融化的夏季海冰被裂縫網(wǎng)分割成碎片，它們的邊緣呈現(xiàn)出令人驚異的淺藍(lán)色，與白色的冰面和深藍(lán)色的海水形成鮮明對(duì)比。圖片by Mikhail Varentsov

↑↑一只北極熊正在測(cè)試薄薄的海冰的強(qiáng)度。北極熊及其與冰凍圈的相互作用是生物圈如何適應(yīng)“活躍星球”的一個(gè)典型例子。它們也是人類活動(dòng)對(duì)地球氣候系統(tǒng)的影響如何危及其他生命形式的一個(gè)典型例子。圖片by Mario Hoppmann。

▼

冰凍圈病毒

冰凍圈生境營(yíng)養(yǎng)水平低，生物鏈很短，因而，病毒對(duì)冰凍圈生態(tài)系統(tǒng)和物質(zhì)循環(huán)具有重要影響。病毒通過裂解宿主細(xì)胞，控制細(xì)菌和真菌的多樣性和豐富度，可向環(huán)境中釋放有機(jī)物質(zhì)；通過基因水平轉(zhuǎn)移，影響宿主細(xì)菌演化與進(jìn)化。近年來(lái)，隨著病毒宏基因組技術(shù)的成熟，冰凍圈病毒的研究成為熱點(diǎn)，特別是對(duì)南北兩極冰川、冰架、湖水、土壤和海冰等，進(jìn)行了較廣泛和深入地研究。

至今，在南極和北極的各種生境中檢測(cè)到相對(duì)高豐度和多樣性病毒。近年來(lái)隨著相關(guān)研究范圍的擴(kuò)大，對(duì)冰凍圈中病毒的相關(guān)認(rèn)知不斷加深。通過對(duì)青藏高原古里雅冰川距今520年和1.5萬(wàn)年的冰芯中相關(guān)病毒的基因組分析，發(fā)現(xiàn)了屬于33種不同的病毒遺傳信息，這些病毒可歸類為4個(gè)已知屬、28個(gè)未知屬?；蝾A(yù)測(cè)分析結(jié)果顯示，其中18個(gè)病毒種與冰芯中多種細(xì)菌數(shù)量密切相關(guān)，這表明病毒在冰芯中宿主多樣化。西伯利亞凍土中分離出的3萬(wàn)年前的巨病毒，仍具有感染目標(biāo)宿主的活性。阿拉斯加凍土中亦發(fā)現(xiàn)了大量的病毒，其主要分布于凍土的未凍結(jié)水中。

▼

全球變暖正在改變冰凍圈生態(tài)系統(tǒng)

當(dāng)今，人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是全球變暖。冰凍圈是地球上對(duì)全球變化最敏感的圈層；地球變暖正在導(dǎo)致冰凍圈的快速減少，包括冰川退縮和凍土消融。然而，冰凍圈的退縮將對(duì)其中的微生物生物多樣性，以及下游生態(tài)系統(tǒng)及其生物多樣性產(chǎn)生何種影響，人們?nèi)匀灰粺o(wú)所知。占地球陸地面積約四分之一的凍土是地球重要的碳庫(kù)。全球升溫將加速凍存于凍土中的有機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)微生物轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致溫室氣體釋放。約占地球陸地面積10%的冰川退縮，將直接導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)期儲(chǔ)存于其中的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物（包括污染物）釋放。埋藏于冰中的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放，將影響下游水系和陸地生態(tài)系統(tǒng)及其生物多樣性。

▼

冰凍圈退化

加速冰凍圈微生物生境的消失

長(zhǎng)期的低溫選擇了適冷性冰凍圈微生物，造就了冰凍圈微生物的獨(dú)特性。多數(shù)的冰凍圈微生物種類只能生存于冰凍圈生境，而冰凍圈消融將對(duì)其中微生物產(chǎn)生災(zāi)難性影響，特有種類將從此消失。一項(xiàng)研究表明，在所有對(duì)冰川退縮發(fā)生響應(yīng)的生物類群中，約6%-11%的物種成為響應(yīng)的失敗者，而19%-26%成為響應(yīng)的勝利者。大部分的失敗者是冰川生境的特有類群，其中一些類群只能生存在冰川生態(tài)系統(tǒng)。而響應(yīng)的勝利者則是廣布類群或入侵類群，通常能在冰川下游生境定居。在凍土中，存在以休眠狀態(tài)封存于其中數(shù)千年甚至數(shù)百萬(wàn)年的微生物，這其中有大量的種類為未知種類。凍土的消融將導(dǎo)致其生境的改變，使這些未知的微生物種類在被認(rèn)知前就已消失。

當(dāng)前，科學(xué)界對(duì)冰凍圈微生物研究還局限于以實(shí)驗(yàn)室研究為主，目前，有關(guān)冰凍圈病毒群落及其適應(yīng)極端環(huán)境的科學(xué)研究資料還很有限。深入了解各種冰凍圈生境中潛在的動(dòng)、植物致病性微生物，特別是封存于其中的古老的、尚未發(fā)現(xiàn)的新致病性微生物，也是今后科學(xué)家們的重要任務(wù)。

我國(guó)境內(nèi)分布有地球中緯度區(qū)面積最大、數(shù)量最多的冰川和凍土，而青藏高原是地球兩極之外最大的冰凍圈生境。近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)工作者在青藏高原上已經(jīng)開展了大量的微生物研究，但這些研究主要集中在微生物生態(tài)學(xué)與微生物自然地理學(xué)等領(lǐng)域。加強(qiáng)全球變化背景下冰凍圈微生物與氣候、環(huán)境間的相關(guān)性研究工作，是我國(guó)冰凍圈微生物研究者的使命。

撰文：向思源

美編：石雨晴

審核：于婷瑋