微生物的造雨术

文/钟 江

 

《云层中的微生物,能决定降雨吗》一文中(本刊2017年第5期),我们讲述了生活在大气层高处的多种微生物可以影响云的形成,决定天空是否下雨。不过,相对云层中的微生物,云中的烟灰和天然矿物颗粒的数量更加繁多,因此更有可能占据支配地位。甚至有人质疑云中是否有足够数量的细菌来发挥作用,影响天气。2015年,英国利兹大学的丹尼尔·奥沙利文发现还有其他微小的有机颗粒需要被考虑在内,因为真菌的碎片也可以发挥这样的作用。他说:“土壤中含有大量的纳米尺度的颗粒。”同时,在海洋中也有微小的浮游生物,其中有些可以通过海浪飞溅而进入大气层,成为冰核。

微生物的循环旅途
除此以外,美国佛罗里达大学的布伦特·克里斯特纳指出,微生物并不是只有在控制全球降水模式的情况下才影响某个地区的降水。他说:“我们并不是说利用细菌可以全面地解释世界各地的天气,但是我认为,在一定的时间和一定的条件下,大气中这些成分累积起来会产生重大影响。”
如果细菌能影响我们的天气,即使只是在某一片特定的云中,我们能否用这些细菌来构建一个独立的“雨水工厂”?美国蒙大拿州立大学的植物病理学家戴维·桑兹,发现隐藏在云层中的丁香假单胞菌之后,提出了一个反馈回路:生活在叶片上的微生物进入大气后,种植冰晶并导致降雨,从而确保自身扩散,并为它们的寄主植物提供良好的灌溉。
微生物进化出这种在较高温度下快速让水结冰的能力,无论是为了用尖锐的冰晶撕裂寄主植物的细胞以获取营养,还是为了防止其自身细胞内形成冰块,我们都有充分的理由相信,为了到达新的生存环境,也是微生物进化出这种能力的一个原因。
克里斯特娜说:“对微生物而言,大气层就像一个巨大的高速公路系统,但它也是一个致命的地方,所以这些微生物进化出成为冰核的能力,有可能是为了让自己顺利降落回到地面。”也许,桑兹从蒙大拿州上空的云层里拿到的丁香假单胞菌正在“煽动”水分立即冻结,让它们得以重返地面。
寄主植物在系统中也扮演了重要的角色,它们给细菌提供舒适的家以换取降雨。从1956年开始,研究人员在澳大利亚南部各地的空气样本中分离出冰晶颗粒,有关记录一直保留了下来。这是一个独特的记录,从中可以看到一种有趣的模式。法国国立农业研究院的辛迪·莫里斯和已退休的气象学家基思·比格,将这些记录与有关天气和土地利用的数据进行比较,他们发现,某些地方在暴雨过后降雨的可能性进一步增加,农地特别容易出现这种现象。莫里斯认为,这可能是因为农作物是那些冰晶细菌的主要“不动产”。
莫里斯和桑兹正在研究20世纪美国西部(超过1000个地点)降雨模式的数据,寻找涉及云、植物、细菌的反馈循环的证据。迄今为止的研究结果显示,美国内华达山脉以及亚利桑那州凤凰城附近农业地区的降雨,呈现强烈的正反馈。桑兹说:“降雨后,一些植被似乎会释放出更多的冰晶细菌,这样会带来另一个降雨周期。”
考虑到这一点,桑兹相信,自农业文明以来,人类一直在不知不觉地改变天气。他说:“当农民种植一大批粮食作物时,他们同时也在无意中种植一些细菌,这样会带来雨水。”这意味着,密集种植一两种可以作为冰晶细菌寄主的植物可能会造成灾难性的后果。
20世纪初期,美国中西部地区种植的小麦特别容易受到小麦锈病(由一种真菌病原体引起)的侵害,恰好这种真菌病原体也是一个技艺高超的冰核。莫里斯现在怀疑,一系列小麦锈病疫情可能在引发20世纪30年代困扰北美大草原的沙尘暴方面发挥了作用,这似乎是违反直觉的。她说:“犁耕时,数以百万计的小麦锈病孢子会从土壤中释放出来,因为冰核的数量实在太多,导致它们无法生长到足够大来形成雨水。”冰核太多了,反而造成了云的堵塞。

利用微生物影响降雨
如果人类活动曾经意外地影响了天气,那么我们以后能不能有意地去影响呢?美国应对干旱的传统措施是,派出飞机向天空喷洒碘化银来催化冰核的形成以增加降雨量。2015年,美国加利福尼亚州的有关部门就给空撒碘化银的承包商发放了50万美元,这引起了不少批评,因为并没有多少证据表明碘化银可以增加降雨量。
桑兹认为“天然制冰机”可以提供更好的解决方案。他和莫里斯通过在地面密集种植含有冰晶细菌的植物,来探索从天空“挤出”更多雨水的可能性。诀窍就是,培育出数量合适的这类微生物来种冰结晶,才不会堵塞云层。
一个选择是,找到能繁殖出更加丰富的造冰微生物的植物,使其成为冰晶微生物的理想住所。莫里斯和桑兹已经开始在美国寻找候选植物。莫里斯说:“我们希望能够种植含有更多冰晶细菌的植物,并把它们栽在合适的地方,以帮助下雨。”
还有另一个选择,桑兹、莫里斯和他们在叙利亚的同事一起合作分析了25种小麦品种,以发现不损害特定品种小麦的丁香假单胞菌。研究人员利用非致病性菌株来包被小麦种子,就可以增加小麦叶子表面造雨细菌的数量。“最终,种子公司可能通过将这些细菌放在种子上,来改变植物上的微生物群落,使之有利于降雨。”桑兹说。
然而,对抗干旱天气不是一件容易的事情。莫里斯说:“如果空气中没有水汽,就没办法催生雨水。”无论我们如何有效地在云中播种,一个特定的地方可以下降的水分总是依赖于全球天气模式,而这种模式正在快速地发生变化。”
我们看看美国加利福尼亚州,每年它从一个被称为菠萝快车的暖湿气流带(从夏威夷一直延伸过来)中获得了大部分的雨水。而这个黄金之州长久以来一直非常干燥,主要是因为这条潮湿气流的时间和路线发生了变化。这种变化预计会变得越来越普遍。即使我们能够得到合适的空气冰晶,气候变暖也许会让细菌无法造冰。
对于空中飞舞的微生物在塑造天气方面发挥的作用,我们的研究才刚刚开始。如果我们无法给这些微生物提供“云舞台”让它们表演造雨术,那就太令人遗憾了。
(本文作者为复旦大学生命科学学院教授,博士生导师;上海市微生物学会副理事长)

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