有時候我們會在電影場景里看到，劇情主角到處尋找看似荒唐的投資項目，其中有一個劇情就是將北極的冰山運到內蒙古自治區(qū)的阿拉善沙漠。這個項目從實際角度來看是不太可能實現的，因為冰山從北極到阿拉善沙漠的運輸過程極其復雜，氣候、溫度、運輸成本等因素都是極大的阻力。
雖然現實中沒人會把北極冰川搬到阿拉善沙漠，但是，冰川卻有著極大的研究價值，科學家們經常從各地冰川中鉆取冰芯，運送到實驗室開展研究。比如，美國俄亥俄州立大學的科學家就從我國青藏高原冰川取回的冰芯樣本中發(fā)現了超過 1700 種古老病毒。
如何從喜馬拉雅山取冰運冰？
青藏高原作為“第三極”，其上的冰川不僅記錄了數萬年來的氣候變化，還蘊藏著豐富的微生物和病毒群落信息，具有極高的科研價值。
近年來，中國啟動了第二次青藏高原綜合科學考察研究（第二次青藏科考），其中，冰川研究是重要的任務之一?？瓶紙F隊通過對冰川的鉆探與分析，深入研究冰川環(huán)境的變化、微生物多樣性以及冰川對氣候變化的響應，為全球氣候研究和生態(tài)系統(tǒng)保護提供了寶貴的科學數據。
科學家們在喜馬拉雅山脈取冰的過程非常復雜，通常需要前往偏遠且高海拔的冰川，采樣地點位于中國西部古里亞冰川的高原上，海拔高達 6200 米，科研團隊使用專門的鉆探設備深入冰川，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，冰川表面溫度可達零下 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℃。科學家們鉆取到了深 309.7 米的冰芯，這些冰芯可以保存數萬年的氣候數據，由于高海拔地區(qū)的環(huán)境極其惡劣，科學家們必須面對低溫、低氧和險峻的地形條件。
鉆取后的冰芯被分為大約 1 米長的段，密封在塑料管中，再裝入鋁覆蓋的紙板管中。此后，將取出的冰芯運送下山則是一項艱巨的任務，因為這些冰川地區(qū)通常無法使用車輛運輸。
因此，科學家們只能依賴牦牛來搬運冰芯。一般情況下，每頭牦?？沙休d約十幾米長的冰芯切片，這些牦牛不僅能夠適應高山惡劣的氣候和地形，還能夠幫助科學家將冰芯從高海拔的采集地點運輸到更低海拔的地方。
冰川冰芯采樣。圖片來源：參考文獻[1]
當冰芯被運送至較低海拔后，科學家們會將其妥善包裝，確保冰芯在整個運輸過程中保持冷凍狀態(tài)。之后，這些冰芯會被裝入冷凍車，運送至科研實驗室，通過這些冰芯，科學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 年的歷史紀錄，保存了來自不同時間段的氣候和微生物信息。這項研究旨在揭示這些病毒群落隨冷暖氣候變化的動態(tài)，以及它們在古代生態(tài)系統(tǒng)中的作用。
研究團隊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 個物種水平的病毒。這些基因組來自九個不同時期的樣本，這些樣本跨越了過去四萬多年中的三個冷暖氣候循環(huán)。
在冰川環(huán)境中，由于極端寒冷和營養(yǎng)匱乏，微生物數量通常非常低，導致提取到的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的 33 個病毒基因組，此次研究通過更深度的測序和優(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量，為研究冰川保存的病毒提供了大量的新數據。
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[1]
為了對這些新發(fā)現的病毒進行深入分析，研究團隊應用了基于基因共享網絡的分類方法，結合公共數據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)現極大地擴展了我們對冰川病毒多樣性和生態(tài)功能的理解。
冰川病毒對生態(tài)系統(tǒng)的關鍵作用
冰川病毒對宿主微生物的生態(tài)影響，揭示了病毒在冰川生態(tài)系統(tǒng)中的關鍵角色。研究表明，古里雅冰川中的病毒對宿主微生物（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)境中占主導地位的種群。通過分析病毒與宿主之間的聯系，研究發(fā)現，黃桿菌屬在整個研究時段內受到的病毒壓力大，這意味著這些病毒可能在漫長的時間內對冰川生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能產生了重要影響。
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）對宿主代謝產生的深遠影響。病毒基因組中發(fā)現了多種與宿主代謝相關的AMGs，尤其是在輔因子和維生素代謝路徑中。
研究推測，這些基因可能有助于宿主適應極端環(huán)境——如冰川表面的寒冷和低營養(yǎng)條件，從而提升宿主的生存能力，同時也提高了病毒的適應性。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)調控者”的角色，影響了微生物的生長、代謝和環(huán)境適應性。
這些結果表明，冰川病毒不僅通過感染宿主微生物施加壓力，還通過代謝調控影響宿主在極端環(huán)境中的適應性，這進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。
古病毒對人體有威脅嗎？
在這些重建的 1705 個病毒基因組中，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)現和研究的病毒類群。
關于從冰川釋放的古病毒是否對人體有威脅的問題，當前的研究對此持謹慎的態(tài)度。首先，古病毒被保存于冰川數萬年甚至更長時間，與現代生物體隔離，因此它們可能已經失去了感染現代宿主的能力。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)，可能經過了長期的遺傳漂變和進化，與現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代人類或動物體內。
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，并進入空氣、水體或土壤等介質。雖然大多數冰川病毒是感染細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其生物學特性了解的有限性，不能完全排除某些病毒具備感染現代宿主的潛力，特別是在免疫力較低的個體或環(huán)境適應能力不足的情況下，這些重新暴露的病毒可能會對某些微生物群落產生影響，進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表明這些古病毒對人體構成直接威脅，但科學界認為，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一步研究，以監(jiān)測和評估這些病毒的潛在風險。為了應對未來可能的環(huán)境和健康風險，科學家們呼吁需要制定更嚴格的監(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。
結語
目前的研究，通過對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。冰川病毒記錄了數萬年來的氣候和生態(tài)系統(tǒng)變化，這對于區(qū)分自然氣候變化和人類活動對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)中扮演了關鍵角色，特別是在極端環(huán)境下對宿主微生物的代謝調控。期待未來更多研究的開展，進一步揭開冰川中被溫度和時間凍結的秘密。
參考文獻
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[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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作者丨Denovo團隊
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