为什么我们要优先考虑拯救海洋 | 冰冻圈病毒
海洋驱动着多个全球系统，
让地球变得适宜人类居住。
我们的雨水、饮用水、天气、气候、海岸线、多种粮食，甚至连空气中供我们呼吸的氧气，从本质上讲都是由海洋提供和调控的。虽然，海洋是地球上最重要的生态资源，但也是人类了解最少、利用最少的生态资源。
全球关于海洋的各类数据还存在巨大的缺口，由于卫星观测无法穿透地表水，所以这并不令人惊讶。大多数海洋数据是通过直接测量或建模收集的，因此很难对覆盖地球表面70%以上的广阔环境实现良好覆盖。
不过，有些问题的存在是因为缺乏全球协调，比如珊瑚礁和海洋垃圾都缺乏全球数据库。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）拥有最大的珊瑚礁数据库，但它并没有利用全球所有资源。同样，不同国家以不同协议收集海洋垃圾数据，尚未在全球范围内得到统一。除了垃圾的数量和分布，关于海洋垃圾的生态影响也存在显著的知识缺口，包括摄入的毒性、纳米粒子、微塑料的影响，以及鱼类摄入的塑料如何影响人类消费，这些问题、数据和结论都有待科学界给出答案。
图片by NOAA
海洋知识的匮乏，对于普通公众来说从来都算不上是个问题。尽管全球有超过30亿人的生计依赖于海洋和沿海的多种生物。在全球范围内，海洋和沿海资源及产业的市场价值估计每年达3万亿美元，占全球GDP的5%左右。但是，人们对于海洋了解多少，似乎并不影响我们从中得到好处。2020年这种情况从“冰川消融”这个问题开始有所转变。因为新冠肺炎疫情的爆发，人们对病毒的各种“前尘往事”都无比关注，追本溯源。因为冰川融化导致海平面上升同时还释放出大量未知病毒，这些被“封印”千年的病毒重新被唤醒，到底对人类有多大危害一时并不清楚。
↑↑这张在哈德逊湾一个阳光明媚的夏日拍摄的海冰照片隐喻地展示了北极海冰可能的未来: 越来越多的融化，一滴一滴的融化。
图片by Maria Scheel, Aarhus University, Roskilde, Denmark
一项对冰冻圈病毒的研究表明，每年约有3.15×10²¹个细菌和古菌细胞从北极冰川冰中释放到下游环境中。按照冰川中平均病毒-细菌比为30:1计算，每年将有10²³个病毒从北极冰川释放到下游环境。在这个过程中，被困于冰冻圈中几万到数十万年的细菌和病毒会直接释放到环境中，这对人类生存产生潜在危害。
2016年，西伯利亚爆发了炭疽热，2000多头驯鹿因此死亡，并使得96人住院。相关研究表明，此次疫情是由于多年冻土的融化使得一具感染了炭疽芽孢的鹿尸解冻而引起的。此外，相关研究自西伯利亚冻土中复活了一种具有3万年历史的巨病毒，并发现这种病毒仍可感染它的靶标——单细胞变形虫。
冰冻圈（cryosphere）是地球表层连续分布且具一定厚度的负温圈层，其组成要素包括冰川（含冰盖）、积雪、冻土、河冰、湖冰、海冰、冰架、冰山，以及大气圈内的冻结状水体，是地球上独特而极端的生物生境。冰冻圈微生物谱，特别是冰芯微生物谱保存着古气候的信息，是研究全球气候变化的重要生物学信息宝库。
全球气候变化导致的气温加速上升，冰冻圈微生物活动对冰冻圈的反馈及其在冰冻圈温室气体排放中的作用，是当今全球变化不可忽视的重大科学问题。现今地球冰冻圈，特别是冰芯、冰下湖等生境，与生命起源早期的地球有些许的相似之处；冰冻圈微生物的生命过程及特征，可能为我们深入了解生命的起源和生命的低温适应极限，提供某些启示。冰冻圈被认为是地球上类似于火星、木卫二、木卫三、木卫四和木卫六等星球的环境，冰冻圈微生物的线索有望为地外生命的探索提供启示。
硬核科普时间
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Q
为什么冰冻圈在全球气候过程中起着重要作用？
1.冰层永久性地覆盖了陆地表面的10%，只有一小部分出现在南极洲和格陵兰岛之外。在年平均值上，冰也覆盖了大约7%的海洋。
2.在隆冬时节，雪覆盖了北半球大约49%的陆地表面。
3.冰雪的一个重要特性是它的高反照率。由于高达90%的入射太阳辐射被冰雪表面反射，而只有大约10%被公海或森林反射，冰雪覆盖的变化是气候变化的重要反馈机制。
4.此外，冰雪是有效的绝缘体。季节性冻土比积雪覆盖面积更大，它的存在对能量和水分通量很重要。
冰-海洋-大气相互作用Credit: NASA
↑↑融化的夏季海冰被裂缝网分割成碎片，它们的边缘呈现出令人惊异的浅蓝色，与白色的冰面和深蓝色的海水形成鲜明对比。图片by Mikhail Varentsov
↑↑一只北极熊正在测试薄薄的海冰的强度。北极熊及其与冰冻圈的相互作用是生物圈如何适应“活跃星球”的一个典型例子。它们也是人类活动对地球气候系统的影响如何危及其他生命形式的一个典型例子。图片by Mario Hoppmann。
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冰冻圈病毒
冰冻圈生境营养水平低，生物链很短，因而，病毒对冰冻圈生态系统和物质循环具有重要影响。病毒通过裂解宿主细胞，控制细菌和真菌的多样性和丰富度，可向环境中释放有机物质；通过基因水平转移，影响宿主细菌演化与进化。近年来，随着病毒宏基因组技术的成熟，冰冻圈病毒的研究成为热点，特别是对南北两极冰川、冰架、湖水、土壤和海冰等，进行了较广泛和深入地研究。
至今，在南极和北极的各种生境中检测到相对高丰度和多样性病毒。近年来随着相关研究范围的扩大，对冰冻圈中病毒的相关认知不断加深。通过对青藏高原古里雅冰川距今520年和1.5万年的冰芯中相关病毒的基因组分析，发现了属于33种不同的病毒遗传信息，这些病毒可归类为4个已知属、28个未知属。基因预测分析结果显示，其中18个病毒种与冰芯中多种细菌数量密切相关，这表明病毒在冰芯中宿主多样化。西伯利亚冻土中分离出的3万年前的巨病毒，仍具有感染目标宿主的活性。阿拉斯加冻土中亦发现了大量的病毒，其主要分布于冻土的未冻结水中。
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全球变暖正在改变冰冻圈生态系统
当今，人类面临的最大挑战之一就是全球变暖。冰冻圈是地球上对全球变化最敏感的圈层；地球变暖正在导致冰冻圈的快速减少，包括冰川退缩和冻土消融。然而，冰冻圈的退缩将对其中的微生物生物多样性，以及下游生态系统及其生物多样性产生何种影响，人们仍然一无所知。占地球陆地面积约四分之一的冻土是地球重要的碳库。全球升温将加速冻存于冻土中的有机碳和营养物质微生物转化，导致温室气体释放。约占地球陆地面积10%的冰川退缩，将直接导致长时期储存于其中的无机物和有机物（包括污染物）释放。埋藏于冰中的各种营养物质释放，将影响下游水系和陆地生态系统及其生物多样性。
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冰冻圈退化
加速冰冻圈微生物生境的消失
长期的低温选择了适冷性冰冻圈微生物，造就了冰冻圈微生物的独特性。多数的冰冻圈微生物种类只能生存于冰冻圈生境，而冰冻圈消融将对其中微生物产生灾难性影响，特有种类将从此消失。一项研究表明，在所有对冰川退缩发生响应的生物类群中，约6%-11%的物种成为响应的失败者，而19%-26%成为响应的胜利者。大部分的失败者是冰川生境的特有类群，其中一些类群只能生存在冰川生态系统。而响应的胜利者则是广布类群或入侵类群，通常能在冰川下游生境定居。在冻土中，存在以休眠状态封存于其中数千年甚至数百万年的微生物，这其中有大量的种类为未知种类。冻土的消融将导致其生境的改变，使这些未知的微生物种类在被认知前就已消失。
当前，科学界对冰冻圈微生物研究还局限于以实验室研究为主，目前，有关冰冻圈病毒群落及其适应极端环境的科学研究资料还很有限。深入了解各种冰冻圈生境中潜在的动、植物致病性微生物，特别是封存于其中的古老的、尚未发现的新致病性微生物，也是今后科学家们的重要任务。
我国境内分布有地球中纬度区面积最大、数量最多的冰川和冻土，而青藏高原是地球两极之外最大的冰冻圈生境。近年来，我国科学工作者在青藏高原上已经开展了大量的微生物研究，但这些研究主要集中在微生物生态学与微生物自然地理学等领域。加强全球变化背景下冰冻圈微生物与气候、环境间的相关性研究工作，是我国冰冻圈微生物研究者的使命。
[参考文献]
1.《冰冻圈微生物：机遇与挑战》中国科学院院刊. 2020年.第35卷.第4期
2.《全球环境展望6》中文版
3. 联合国《2021-2030年生态系统修复十年计划》
撰文：向思源
美编：石雨晴
审核：于婷玮
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