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云中生命掌控着什么?

作者:何积惠

天空为什么会下雨?为什么有时候下的是毛毛雨,有时候下的是倾盆大雨?美国蒙大拿州立大学的植物病理学家经过多年的研究,终于发现了其中的奥秘———天空中似乎充斥着大量“劫持”天气的微生物。近年来对云层展开系列航摄所传回的证据也显示:某些云中微生物的确拥有造雨的本领。甚至还有迹象表明:近年发生的一些史上最严重的干旱,都是人类扰乱细菌与植物间微妙平衡所造成的。

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云层,可以说既司空见惯又神秘莫测。它们是水蒸汽经冷凝而变为细微水滴或冰晶时形成的,这一过程常会因飘动在空气中被称为浮质的小颗粒而加快。浮质的作用在于让水分子获得某种程度的依附,至于云层在降水过程中为什么有时候奔泻如注,有时候点滴不洒,我们依然毫无所知。

这个谜底同结冰的物理特性有关。云层在它们所蕴含的水滴形体大到足以克服大气上升气流时,就会产生雨或雪。在多数场合,下落过程伴随着冻结过程———冰晶的形成速度大于液态水滴,意味着它们还没来得及被风吹刮得或蒸发或消失之前就已达到下落重量。尽管看似不可思议,大气中的纯水却可以将液态一直保持到-40℃。这种现象背后的分子秘密依然令人费解,但云层中的水滴通常需要一点助力才能形成冰。

那种助力是以“冰核”形式出现的,这些靠空气传播的颗粒会向水分子提供核心,便于水分子环绕它排列成冰晶的晶格结构。但是它们无法在超过-15℃的温度中潜孕冰晶,在陆地上空形成的所有云层中,这相当于其内部温度的一半。在这些普通的云层内,看来还隐藏着一些别样的奥秘。

桑兹的发现

1978年春天,美国蒙大拿北部的小麦田面临着严重威胁。不管大卫·桑兹怎么处理种子和土壤,作物还是让枯萎病害得遍体鳞伤。于是,他出于直觉雇了一架小型飞机登上蓝天,到云层中寻找问题的症结。

桑兹通过仪器在云层中发现了一些微生物,萦绕心头多年的疑虑终于找到了答案。不仅如此,他还开始相信自己的发现将会解开天空何以会下雨这一由来已久的谜团。

桑兹认为,将毛毛雨和倾盆大雨召之即来的是生息在云层中的微生物。这一独到见解始终没有完全被大气科学家所接受,他们一味盯着尘粒和煤烟,自然不愿意听信这位植物病理学家。在多次表明自己的观点而应者寥寥的情况下,桑兹又回到蒙大拿州立大学,继续埋首植物枯萎病的研究。

但是,过去几年的重大发现正在使事态朝他预期的方向发展。近年来对云层展开系列航摄所传回的证据也显示:天空中似乎充斥着大量“劫持”天气的微生物,一些特定的细菌的确是造雨的关键所在。甚至还有迹象表明:近年发生的一些史上最严重的干旱,都是人类扰乱细菌与植物间微妙平衡所造成的。

高空飞行的生命控制着云层

近年来,科学家已找到形形色色飞行在高空、可能控制着云层活动的微生物。例如佐治亚理工学院科斯塔司·康斯坦丁伊迪斯等人率领的团队于2013年发表的专著,便考察了2010年厄尔和卡尔飓风过境时在加勒比海、墨西哥湾、大西洋和美洲大陆上空高达1万米处收集到的采样。他们测定出314种不同的细菌,其中大多处于活跃状态。同时还找到了土壤和尘粒之类的生物细胞,“这些细胞具有显著影响云层形成的潜能。”康斯坦丁伊迪斯说。

这些微生物有可能是在不经意间搭载着尘粒被拖曳前行的。要探明微生物的生命形式是否会导致降雨,还得看一看它们在云层内部干了什么。加州大学圣迭戈分校的大气化学家吉姆·普拉瑟为此正在从怀俄明州、加勒比海圣克鲁伊岛和内华达山脉上空的雨云中汲取冰晶。她和同事在分析形成冰晶的颗粒的化学成分后发现,多数积雨云的颗粒约有40%表露出与生物息息相关的渊源。普拉瑟还发现,这些生物颗粒常与不远万里环游世界的尘粒形成重叠,它们一般来自非洲撒哈拉沙漠或中国。“有一个案例竟让我们循着漂过太平洋的尘粒,提前目睹了一场接踵而至的降雪。”她解释说。这些因素综合在一起所形成的结论是令人怦然心动的:微生物的确会催生暖云中的冰。

正如英国利兹大学的丹尼尔·奥沙利文证实的那样,煤烟和矿物质颗粒固然含量充沛,因而更有可能占主导地位,但我们也得考虑其他细微有机颗粒的因素,比方说作用相同、呈断片状的真菌。这些纳米尺度的颗粒在土壤中的库存量之大不容小觑,海洋中只有在显微镜下才能看见的浮游植物,同样不乏被溅开的碎浪经由海上的浪花投掷进大气层的冰核。

佛罗里达大学的布伦特·克里斯特纳也指出,微生物未必能控制影响某些地区的全球降水格局。“我们也不能用细菌来解释世界天气的一切异变,但是我认为在有些条件下,在一年的某个时段里,这些物质会将大气层撑得满满当当而产生显著的效应。”他说。

细菌是造雨厂的关键成分

如果说细菌正在影响我们的天气,即使仅限于特殊形态的云层也不例外,那么它们是否可能成为独立自足的造雨厂的关键成分呢? 桑兹在发现隐匿于云层的假单胞杆菌后不久,提出了反馈环路的设想:栖息树叶上的微生物升腾着进入大气层,在那里催生冰晶而化为雨,既确保它们自身得以撒播,也为它们的植物宿主提供了解渴的良机。

作为宿主的植物也在这里发挥着作用,那就是为降雨的细菌提供回归后的舒适之家。一份标注日期可回溯到1956年的记录,在罗列从澳大利亚南部多处收集的空气采样中离析的冰核颗粒的同时,极为难得地揭示了耐人寻味的模式。莫里斯和退休气象学家基思·比格将这份数据同气象记录和土地利用状况加以比较后发现,在有些观察地点,雨暴后的降雨概率会大大提高,农耕地特别容易发生这种现象。在莫里斯看来,这可能是因为作物已变成冰核细菌的主要“不动产”使然。

目前,莫里斯和桑兹正在考察上个世纪遍布美国西部一千多处的降雨模式,搜寻着包括云层、植物和细菌在内的反馈环路的佐证。迄今为止的研究结果显示,内华达山脉一带和亚利桑那州菲尼克斯周围的农业区存在强烈倾向于肯定的降雨反馈。“有些植物似乎会在降雨后释放更多的冰核,由此带来另一个降雨循环。”桑兹说。正是因为如此,桑兹相信自农业的黎明期起开始,人类就一直在不知不觉地改造天气。“农民在栽种食物的同时也栽种了细菌,由此酿成顺势而下的雨水。”他说。那也意味着密集地栽培仅仅一两种构成冰核宿主的作物,就可能会带来灾难性的后果。

美国中西部的小麦产区在20世纪初的遭遇即是一例。当时栽种的作物特别容易受到小麦锈病的侵害,作为一种真菌病原体,它恰巧又是臻于完善的冰核。这一点看似有违直觉,但莫里斯如今怀疑接连不断的小麦流行锈病在营造干旱尘暴区条件、导致北美大草原在30年代蒙受灾祸中发挥了作用。“耕作过程中会释放无数的小麦锈病孢子,造就如此众多无法生长到足以下雨的冰核。”她解释说,“产生的冰核实在太多了,简直将云层围堵得水泄不通。”

培育特殊微生物驾驭未来天气

如果说以往的天气是我们在不经意间铸就的,那么,我们在未来是否能有意识地这么去做呢? 派遣飞机上天,通过喷洒碘化银来催生冰,这在美国有着悠久的历史。仅在去年,洛杉矶就为应对加州的持续干旱而向云层催化承包商拨款50万美元,最终因缺乏碘化银增加降雨几率的证据而招致舆论哗然。

桑兹认为,天然的制冰途径可以提供更好的解决办法。他和莫里斯正在探讨如何见缝插针地栽种潜孕冰核细菌的植物,藉以向天空榨取更多雨水的可能性。这就需要物色和有选择地培育结冰微生物贮存量最为丰富的植物,以期让它们更好地在地面上安家落户,目的在于培育恰好够催生冰核而不至于阻碍云层的微生物。

另一方面,桑兹和莫里斯跟叙利亚同事合作,对25种小麦进行分析,找到了假单胞杆菌无害于小麦的菌株。如此一来,研究人员就能利用不致病的品种对小麦种子加以“包装”,增加树叶上造雨细菌的数量。种子公司最终会将这些细菌加载到种子上,通过改变宿主的显微植物群来创造有利于降雨的条件。

然而,干旱是不会销声匿迹的。“空气中若没有水蒸汽,你就无法诱导降雨。”莫里斯说。不管我们在催化云层方面变得多么技艺高超,降临某地的水分含量将永远取决于全球天气模式———而且它们正在发生快速的变化。全球气候变暖是一个最大的挑战,因为即使科学家们物色并培育出能有助于呼风唤雨的微生物,它们也会因为日渐趋暖的气候变得太过炎热而难以施展本领。

文章来源:文汇报

原文链接:http://whb.news365.com.cn/kjwz/201606/t20160612_2528480.html

图片来源:Pixabay

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