两百年前的达尔文与沙尘暴

达尔文当年随着小猎犬号四处采集动植物,在经过多年的分析后提出了影响后世甚巨的自然选择说,这个故事大概路边随便找个都可能听过,自然选择说大概也是生物学家最常挂嘴上(却最少有人读完)的一本书。不过达尔文当年还做过不少其它有趣的事。你知道达尔文在船上除了搜集动植物之外,也收集落尘吗?在当时的航海人已经知道航行经过非洲旁边时会收到大量沙尘。达尔文在 1845 年发表的研究中就记载着,当他们停在非洲旁的维德角群岛(Cape de Verd Archipelago)时,天空是灰蒙蒙一片,而且持续落下小沙粒,数量多到都要损伤船上的天文仪器了。他收集了一些空中落下的沙粒,加上英国舰队的 R. B. James 于 1838 年在维德角群岛北方大概六百公里的大西洋上收集到的四包沙粒,一起送到德国给在柏林的厄仑伯(Christian Gottfried Ehrenberg )当海上样本来研究。这些留下来的样本被妥善收藏在柏林洪堡大学自然史博物馆(Museum für Naturkunde der HumboldtUniversität Berlin)里,见证了当年的跨国研究合作。

历史说完了,但是新一代科学故事才要开始。有篇 2007 年发表的论文居然拿到当年达尔文送到德国的沙粒来做研究。日内瓦大学 William J. Broughton 教授领导的瑞士-德国合作团队检验了博物馆收藏品里当年厄仑伯研究过的古物,包括 4 个 R. B. James 收集后由达尔文转交的样本,以及 2 个 1812 年从大西洋邻加勒比海的巴巴多斯岛(Barbados)收集的沙粒样本。运用现在的地质化学分析技术来分析比对后,科学家发现这些落尘的来源应该是撒哈拉沙漠没错。这些沙粒一定是在更早的年代被风吹起,越升越高,在高空旅行了老远之后落在达尔文的手上,接着被送到柏林成为人类永远的囚犯。

这群研究人员利用扫描式电子显微镜技术(scanning electron microscopy)来观察沙粒,发现在这些有历史的沙粒表面上有不少微生物,包括细菌及真菌。这些在又干又没养分的沙粒上待了快两百年的细菌和真菌还活着吗?研究人员把这些快两百岁的沙粒放进培养基里进行培养,他们发现上面的微生物真的还活着,并成功培养出很多种细菌及真菌。经过鉴定后发现这些细菌主要是芽孢杆菌(Bacillus)和类芽孢杆菌(Paenibacillus),真菌包括麴菌(Aspergillus),青霉菌(Penicillum)和木霉菌(Trichoderma)。这些是环境里常见的微生物: 分离到的这些细菌都能形成内孢子,而真菌都能产生孢子,大家都以休眠种子的形式在沙粒上蛰伏了两百年。

这些微生物当年被风带起,在空中没水没养分,被迫启动自保机制,让自己变成孢子进入休眠状态,就像电影里星舰残存人员把自己封入睡眠舱来度过长途星际飞行一样。这些细菌不知道沉睡了多久才从非洲旅行到大西洋,达尔文让它们免于落入海水咸死,然后又等了两百年才在某个实验室里重新得到繁衍后代的机会。这种能以孢子跨越时间及空间限制的能力在演化上是个相当有利的特性,让微生物能到全球旅行,并且在各地都建立稳定的族群。当然细菌不会在意旅行的过程有没有可口的飞机餐,它们旅行的意义完全只是扩张自己种族的势力范围而已。

我们从这些古物里得到重要资讯,那两百年后的现在,细菌们是否还继续搭乘”沙粒航空”前往世界各地呢?一篇 2013 年的研究刚好就是打算回答这个问题。这篇研究以卫星照片判读得知查德(Chad)共和国境内的 Bodélé Depression 是撒哈拉地区沙尘最多的地区。他们也到达尔文去过的维德角群岛采集从查德飞到大西洋的沙粒,然后跟在查德境内拿到的沙粒来比较,想知道这些沙粒上到底有什么微生物种类。利用大量平行定序(parallel sequencing)的方法,他们在这些越洋沙粒上找到非常多种微生物,其中细菌就涵盖了 4 个门,真菌是每个门都有,甚至还侦测到淡水藻类的存在。经过比对鉴定,这些 DNA 的主人大部份果然都是土壤里比较耐命的微生物,本来就具有在沙漠中存活的本领。而这样的本领也让它们可以长时间在空中飘浮,并且让它们可以在非洲各处落脚。一般常见的细菌,例如大肠杆菌和它那一挂的肠道病原菌们应该就没办法在沙粒这种恶劣环境下长时间存活,所以即使沙漠航空可以载运微生物跨海到另一个大陆,那种”沙尘暴带来病原菌造成全球大感染”的剧情,暂时还是比较可能出现在好莱坞的预告片,而不是在明天早上的新闻里。

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