有时候我们会在电影场景里看到，剧情主角到处寻找看似荒唐的投资项目，其中有一个剧情就是将北极的冰山运到内蒙古自治区的阿拉善沙漠。这个项目从实际角度来看是不太可能实现的，因为冰山从北极到阿拉善沙漠的运输过程极其复杂，气候、温度、运输成本等因素都是极大的阻力。


虽然现实中没人会把北极冰川搬到阿拉善沙漠，但是，冰川却有着极大的研究价值，科学家们经常从各地冰川中钻取冰芯，运送到实验室开展研究。比如，美国俄亥俄州立大学的科学家就从我国青藏高原冰川取回的冰芯样本中发现了超过 1700 种古老病毒。


如何从喜马拉雅山取冰运冰？


青藏高原作为“第三极”，其上的冰川不仅记录了数万年来的气候变化，还蕴藏着丰富的微生物和病毒群落信息，具有极高的科研价值。


近年来，中国启动了第二次青藏高原综合科学考察研究（第二次青藏科考），其中，冰川研究是重要的任务之一。科考团队通过对冰川的钻探与分析，深入研究冰川环境的变化、微生物多样性以及冰川对气候变化的响应，为全球气候研究和生态系统保护提供了宝贵的科学数据。


科学家们在喜马拉雅山脉取冰的过程非常复杂，通常需要前往偏远且高海拔的冰川，采样地点位于中国西部古里亚冰川的高原上，海拔高达 6200 米，科研团队使用专门的钻探设备深入冰川，钻取的冰芯深度为 309.7 米，直径约为 10 厘米，冰芯穿透至冰川的基岩。


钻取时，冰川表面温度可达零下 21.2℃，冰芯温度在 10 米深处则是零下 11.6℃，在冰川底部为零下 2.1℃。科学家们钻取到了深 309.7 米的冰芯，这些冰芯可以保存数万年的气候数据，由于高海拔地区的环境极其恶劣，科学家们必须面对低温、低氧和险峻的地形条件。


钻取后的冰芯被分为大约 1 米长的段，密封在塑料管中，再装入铝覆盖的纸板管中。此后，将取出的冰芯运送下山则是一项艰巨的任务，因为这些冰川地区通常无法使用车辆运输。因此，科学家们只能依赖牦牛来搬运冰芯。一般情况下，每头牦牛可承载约十几米长的冰芯切片，这些牦牛不仅能够适应高山恶劣的气候和地形，还能够帮助科学家将冰芯从高海拔的采集地点运输到更低海拔的地方。 6park.com
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冰川冰芯采样。图片来源：参考文献[1]


当冰芯被运送至较低海拔后，科学家们会将其妥善包装，确保冰芯在整个运输过程中保持冷冻状态。之后，这些冰芯会被装入冷冻车，运送至科研实验室，通过这些冰芯，科学家可以深入了解古代气候和微生物生态系统的演变，从而揭示气候变化对微生物群落的影响。


研究冰川古病毒有什么意义？


冰川是地球上时间信息和古气候、生态系统的天然存档。古里雅冰川中的冰核涵盖了超过 41000 年的历史纪录，保存了来自不同时间段的气候和微生物信息。这项研究旨在揭示这些病毒群落随冷暖气候变化的动态，以及它们在古代生态系统中的作用。


研究团队通过从青藏高原古里雅冰川的冰核中提取病毒基因组，成功重建了 大约 1705 个物种水平的病毒。这些基因组来自九个不同时期的样本，这些样本跨越了过去四万多年中的三个冷暖气候循环。


在冰川环境中，由于极端寒冷和营养匮乏，微生物数量通常非常低，导致提取到的DNA量也很少，这给基因组拼装带来了挑战。相比于之前研究中仅恢复的 33 个病毒基因组，此次研究通过更深度的测序和优化的低生物量冰川宏基因组拼装方法，极大地增加了病毒基因组的数量，为研究冰川保存的病毒提供了大量的新数据。 6park.com
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古里雅冰川病毒在全球不同环境中的分布。图片来源：参考文献[1]


为了对这些新发现的病毒进行深入分析，研究团队应用了基于基因共享网络的分类方法，结合公共数据库中的参考病毒基因组，建立了病毒操作分类单元和病毒群落的分类体系。


通过这种方法，他们发现了一些特定的病毒属（如Phikmvvirus和Rauchvirus），并揭示了这些病毒在冰川保存的环境中可能的生态角色及其与宿主微生物之间的相互作用。这些发现极大地扩展了我们对冰川病毒多样性和生态功能的理解。


冰川病毒对生态系统的关键作用


冰川病毒对宿主微生物的生态影响，揭示了病毒在冰川生态系统中的关键角色。研究表明，古里雅冰川中的病毒对宿主微生物（主要是黄杆菌属、冷杆菌属和极地单胞菌属）施加了持续的病毒感染压力，这些宿主微生物通常是冰川环境中占主导地位的种群。通过分析病毒与宿主之间的联系，研究发现，黄杆菌属在整个研究时段内受到的病毒压力最大，这意味着这些病毒可能在漫长的时间内对冰川生态系统的结构和功能产生了重要影响。


除了宿主感染压力外，研究还揭示了病毒通过辅助代谢基因（AMGs）对宿主代谢产生的深远影响。病毒基因组中发现了多种与宿主代谢相关的AMGs，尤其是在辅因子和维生素代谢路径中。


研究推测，这些基因可能有助于宿主适应极端环境——如冰川表面的寒冷和低营养条件，从而提升宿主的生存能力，同时也提高了病毒的适应性。通过这些代谢基因，病毒可能在冰川生态系统中扮演了“生态调控者”的角色，影响了微生物的生长、代谢和环境适应性。


这些结果表明，冰川病毒不仅通过感染宿主微生物施加压力，还通过代谢调控影响宿主在极端环境中的适应性，这进一步揭示了病毒在古代生态系统中的重要生态角色。


古病毒对人体有威胁吗？


在这些重建的 1705 个病毒基因组中，有 97% 的病毒无法归类于已知的病毒属，表明这些冰川保存的病毒具有高度的新颖性。这些新病毒主要属于 Caudoviricetes 纲，但在此次研究中仅有 12 个病毒属被明确分类，包括 Carjivirus、Nickievirus、Myxoctovirus 等，其余病毒由于缺乏与已知病毒基因组的相似性，展示了冰川环境中可能存在大量未被发现和研究的病毒类群。


关于从冰川释放的古病毒是否对人体有威胁的问题，当前的研究对此持谨慎的态度。首先，古病毒被保存于冰川数万年甚至更长时间，与现代生物体隔离，因此它们可能已经失去了感染现代宿主的能力。其次，这些病毒在极端寒冷和无氧环境中处于休眠状态，可能经过了长期的遗传漂变和进化，与现代病毒或微生物宿主存在显著差异，因而不一定能够有效感染或繁殖于现代人类或动物体内。


然而，随着气候变化加剧和冰川融化，这些古病毒有可能重新暴露于外界环境，并进入空气、水体或土壤等介质。虽然大多数冰川病毒是感染细菌和其他微生物的噬菌体，但考虑到古代病毒群落的多样性以及我们对其生物学特性了解的有限性，不能完全排除某些病毒具备感染现代宿主的潜力，特别是在免疫力较低的个体或环境适应能力不足的情况下，这些重新暴露的病毒可能会对某些微生物群落产生影响，进而间接影响人类健康或生态系统。


目前，虽然并没有直接证据表明这些古病毒对人体构成直接威胁，但科学界认为，随着冰川融化带来更多未知病毒的暴露，必须保持高度警惕并开展进一步研究，以监测和评估这些病毒的潜在风险。为了应对未来可能的环境和健康风险，科学家们呼吁需要制定更严格的监控措施来了解这些病毒的特性及其在气候变化背景下的潜在影响。


结语


目前的研究，通过对冰川中保存的病毒的分析，为我们理解地球历史上的气候变化提供了新的视角。冰川病毒记录了数万年来的气候和生态系统变化，这对于区分自然气候变化和人类活动对气候的影响具有重要意义。


此外，这些病毒可能在古代生态系统中扮演了关键角色，特别是在极端环境下对宿主微生物的代谢调控。期待未来更多研究的开展，进一步揭开冰川中被温度和时间冻结的秘密。