藏于冻土"古老病毒"复苏 一场噩梦并非不可能(组图)

 作者:顾堆噤     |      日期:2017-11-01 15:13:17
纵观历史,人类与细菌和病毒一直并存从瘟疫到天花,为了抵御它们,我们一直在进化;作为回应,它们也产生了感染我们的新方法 自从亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming)发现青霉素以来,我们拥有抗生素已经有近一个世纪的时间,而细菌也不断产生抗生素的耐药性予以还击这场战斗是没有终点的,但因为我们与病原体共同生存的时间太长,有时会形成一种自然的僵局 但是,如果我们突然暴露于已消失数千年的致命细菌和病毒面前,或者它们是我们过去从未遇到的,又会发生什么情况呢 我们可能会发现:气候变化正在融化已冻结多年的冻土;随着土壤的融化,它们正在释放原来处于休眠状态的古老病毒和细菌,这些病毒和细菌正在恢复生命力 图注:正在迁徙的驯鹿 2016年8月,在西伯利亚冻原遥远的一角——北极圈内的亚马尔半岛上,一名12岁的男孩因感染炭疽死亡,至少有二十人也因此住院 对此次炭疽疫情的解释是,75年以前,一头驯鹿因感染炭疽死亡,其冻僵的尸体保存在被称为“永久冻土”的一层冻土的下面驯鹿的尸体一直呆在那里,直到2016年夏天出现的热浪让永久冻土融化 永久冻土的融化让驯鹿的尸体暴露出来,并将有感染性的炭疽菌释放到附近的水和土壤中,然后进入食物供应链附近放牧的2000多只驯鹿被感染,然后导致一些人也被感染 科学家担心,这不会是一个孤立的案例 图注:挪威斯瓦尔巴群岛上的永久冻土 随着地球变暖,更多的永久冻土将融化一般情况下,每年夏季浅层的冻土会融化约50厘米但是随着全球变暖,更深的永久冻土正在逐渐暴露出来 处于冰冻状态的永久冻土是细菌长期保持活力的最理想场所,时间也许可以长达一百万年这意味着永久冻土中冰层的融化,可能会打开疾病的潘多拉魔盒 北极圈的气温正快速上升,其上升速度比世界其他地区快三倍随着冰层和永久冻土的融化,其它感染性因子可能被释放出来 法国艾克斯·马赛大学的进化生物学家让-米歇尔·克拉弗维(Jean-Michel Claverie)指出:“永久冻土是保存微生物和病毒的非常好的场所,因为它的里面温度很低,不含氧气,而且处于黑暗中下层的永久冻土中可能仍保存着能感染人类或动物的致病性病毒,包括过去曾引起全球性传染病的那些致病性病毒” 仅在20世纪初,超过一百万只驯鹿死于炭疽病当时挖深坑不是一件容易的事,所以这些驯鹿的尸体大部分埋在地表附近,分散在俄罗斯北部的7000个埋葬地中 然而,最大的恐惧是在冻土之下潜伏着什么 图注:炭疽杆菌的孢子可以存活几十年 几个世纪以来,不断有人类和动物的尸体埋藏在永久冻土中,所以可以想象永久冻土可能释放出其它传染性物质例如,从阿拉斯加苔原大型墓地挖掘出的几具尸体上,科学家发现了1918年西班牙流感病毒的RNA片段天花和黑死病的病原体也可能埋藏在西伯利亚的永久冻土中 在2011年发表于《全球卫生行动》的一篇文章中,共同作者鲍里斯·雷维奇(Boris Revich)和玛丽娜·波多拉尼亚娜(Marina A. Podolnaya)预测:“永久冻土融化的结果是18世纪和19世纪致命的感染性媒介可能会卷土重来,尤其是埋葬了那些感染病受害者的墓地附近” 例如,在19世纪90年代,西伯利亚出现了严重的天花疫情,有一个小镇因此失去了40%的人口他们的尸体被埋在科雷马河(Kolyma River)河畔永久冻土的上层120年后,科雷马河的洪水已经开始侵蚀河畔,而永久冻土的融化加速了这一侵蚀过程 在20世纪90年代开始的一个项目中,来自俄罗斯新西伯利亚病毒学和生物技术国家研究中心的科学家检查了几具属于石器时代的人类遗体,它们是在西伯利亚南部阿尔泰山地区发现的他们还检查了19世纪病毒流行期间死亡的男子尸体样本,这些尸体是从俄罗斯永久冻土中挖掘出来的 研究人员称,他们已经发现这些尸体具有患天花后留下的症状虽然他们没有找到天花病毒本身,但他们已经检测到其DNA片段 当然,冻结在冰层中的细菌不是首次恢复生命力 图注:南极的冰层中发现处于休眠状态的细菌 在2005年的一项研究中,美国宇航局(NASA)的科学家成功地让已存在3.2万年的细菌复活,这些细菌一直被封存在阿拉斯加州一个处于冰冻的池塘中自更新世以来——当时长毛象仍在地球漫游——这种被称为肉芽孢杆菌(Carnobacterium pleistocenium)的微生物就一直被冰冻一旦冰层融化,它们开始游来游去,似乎没有受到冰冻的影响 而一旦它们复活,病毒就迅速开始具有传染性 两年后,科学家成功地复活了已存在800万年的细菌,这些细菌休眠于南极一处冰川下面的冰层中在同一研究中,从已存在10万年的冰层中采集到的细菌也被复活 然而,并不是所有被冻结在永久冻土的细菌都可以恢复生命力炭疽菌可以做到,因为它们能产生孢子,其孢子非常坚硬,可以在冰冻状态下存活一个世纪以上 可以产生孢子的其它细菌,也因此可以在永久冻土中存活下来,这包括破伤风菌和肉毒杆菌肉毒杆菌是造成肉毒中毒的病原体:这是一种罕见的疾病,可导致瘫痪甚至致命此外,一些真菌和病毒也可以在永久冻土中长期生存 图注:拟菌病毒(Mimivirus)是巨型病毒的一种 在2014年的一项研究中,克拉弗维领导的一个团队复活了被封存在西伯利亚永久冻土中长达3万年的两种病毒这两种病毒被命名为“西伯利亚陶罐病毒”(Pithovirus sibericum)和“西伯利亚软体病毒”( Mollivirus sibericum)它们都是“巨型病毒”,因为与大多数病毒不同,它们可以在常规显微镜下观察到它们是在西伯利亚沿海苔原地下100英尺(约30.48米)处被发现的 一旦它们复活,这些病毒就迅速变成具有传染性幸运的是,这些特定的病毒只感染单细胞的变形虫然而,研究表明,真正可以感染人类的其它病毒可能会以同样的方式复活 巨型病毒的外壳往往非常坚硬,几乎不可能打开 更重要的是,全球变暖并不一定直接通过融化永久冻土来对人类构成威胁由于北极的海冰融化,西伯利亚北岸变得更加容易通过海上到达因此,包括采矿和石油天然气钻探等在内的工业性开发现正从中获利 克拉弗维称:“目前这些地区是荒凉的,深层的永久冻土层仍独处一隅然而,采矿和钻井作业所需要的挖掘可能让这些古老的冻土层暴露出来,如果那里仍然存在有活力的病毒粒子,这可能会造成灾难” 任何此类病毒的爆发,最有可能的罪魁祸首是巨型病毒 克拉弗维称:“由于光照、失水或自发的生化降解,大多数病毒在宿主细胞外迅速失去活力例如,如果它们的DNA被破坏至不可能修复,其病毒粒子将不再具有传染性但是在已知的病毒中,巨型病毒往往非常坚强,几乎不可能被破坏” 图注:尼安德特人(Neanderthals)曾经住在西伯利亚 他表示,曾出现于最早居住在北极的人类的病毒可能会再次出现我们甚至可以看到来自于那些早已灭绝的人类种群的病毒,如尼安德特人(Homo neanderthalensis)和丹尼索瓦人(Denisovans),他们都定居于西伯利亚,受各种病毒性疾病所困扰在俄罗斯,陆续发现来自3万至4万年前的尼安德特人的遗体数千年来,人类曾居住在那里,生老病死 克拉弗维指出:“我们可以从早已灭绝的尼安德特人的遗体上采集到病毒表明,一种病毒可以从地球上‘消除’的想法是错误的,这种想法给我们一种虚假的安全感这就是为什么我们要维持疫苗的库存的原因:仅仅是以防万一我们就要这样做” 自2014年以来,克拉弗维一直在分析永久冻土的DNA含量,寻找可能感染人类的病毒和细菌的遗传特征他已经发现了有许多种细菌可能威胁人类的证据细菌拥有的DNA能对毒性因子进行编码;毒性因子是致病细菌和病毒产生的分子,能增强它们感染宿主的能力 从永久冻土中,克拉弗维的团队还发现了几个似乎来自病毒的DNA序列,其中包括疱疹病毒然而,他们还没有发现任何天花病毒的痕迹由于显而易见的原因,他们没有试图去复活任何病原体 现在看来,似乎来自人体的病原体也将从其它地方出现,而不仅仅是冰层或永久冻土中 图注:奈卡水晶洞中的水晶 2017年2月,美国航空航天局的科学家宣布,他们在墨西哥一个矿井里面的水晶中发现了微生物,其存在时间已有10万年至50万年之久 这种细菌存在于奈卡水晶洞(Cave of the Crystals)内,它是墨西哥北部北部小镇奈卡(naica)一座矿山的一部分该洞穴中蕴藏大量白色的亚硒酸盐(透明石膏)晶体矿物,是历经数十万年时间而逐渐形成的 细菌被困在晶体内微小的液泡中,但一旦被提取出来,它们就会复活并开始繁殖这种微生物在遗传上是独一无二的,可能是新的物种,但研究人员还没有发表他们的研究成果 美国新墨西哥州的龙舌兰洞(Lechuguilla Cave)距离地表有1000英尺(约合300米),科学家在这个洞穴中甚至发现了更老的细菌400多万年以来,这些微生物从来没有来到地球表面 图注:美国新墨西哥州的龙舌兰洞(Lechuguilla Cave)中的亚硒酸盐岩晶体矿物 这个洞穴从来没有阳光照进来它是如此与世隔绝,地表上的水渗入洞穴内需要大约一万年的时间 尽管如此,不知怎么回事,这个洞穴中发现的细菌竟然对18种抗生素有耐药性,包括被认为是抗击感染“最后手段”的药物在2016年12月发表的一项研究报告中,研究人员发现,这种被称为“类芽孢杆菌(Paenibacillus sp.)LC231”的细菌,对70%的抗生素具有耐药性,能够让其中的许多抗生素完全没有活性 由于这些细菌在洞穴中与世隔绝的时间长达400万年,所以从未接触人类或用于治疗人类感染的抗生素药物这意味着其对抗生素的抵抗力必须以其它方式产生的 参与研究的科学家认为,这些细菌对人类没有危害,是能自然产生抗生素耐药性的许多种细菌之一这表明细菌对抗生素的耐药性已经存在数百万甚至数十亿年的时间 图注:青藏高原上的永久冻土 显然,这种古老的抗生素耐药性不是由于抗生素在临床上使用而形成的 微生物之所以能自然产生对抗生素的抵抗力,原因是许多类型的真菌,甚至包括其它细菌在内,能自然产生抗生素,以获得相对于其它微生物的竞争优势弗莱明就是这样发现青霉素的:培养皿中的细菌被一种能分泌抗生素的霉所污染后死去 在那些缺乏食物的洞穴里,生物必需冷酷无情才能获得生存像“类芽孢杆菌LC231”这样的细菌,可能不得不进化出抗生素耐药性,以避免被其它生物体杀死 这将解释为什么这些细菌只能抵抗来自于细菌和真菌的天然抗生素——这种抗生素在我们日常使用的抗生素中占99.9%这些细菌从来没有遇到过人造抗生素,所以没有能力抵抗它们 负责这项研究的美国俄亥俄州阿克伦大学微生物学家哈泽尔·巴顿(Hazel Barton)指出:“我们的工作和他人的工作表明,抗生素耐药性不是现在才有的我们发现的生物早在400万至700万年前就与地球表面的物种隔绝,但它们的抗生素耐药性在遗传上是相似的这意味着这些抗生素耐药性的基因至少存在了400万至700万年,而不是人类用抗生素治疗疾病才产生的” 虽然“类芽孢杆菌LC231”本身对人体无害,但在理论上,可以将其抗生素耐药性传递给其它病原体不过,由于它被隔绝在距地表400米以下的洞穴内,这种情况似乎不大可能发生 然而,天然的抗生素耐药性在微生物中可能非常普遍,从融化的永久冻土中出现的许多细菌可能拥有这种能力在2011年的一项研究中,科学家从俄罗斯和加拿大之间的白令海地区有3万年历史的永久冻土中发现的细菌提取DNA他们发现其基因编码对β-内酰胺、四环素和糖肽抗生素具有耐药性 图注:西伯利亚的永久冻土 对于这一切,我们应该感到多大担忧 有一个观点是,来自永久冻土的病原体的风险在本质上是不可知的,所以对于它们,我们不应该刻意地感到担忧相反,我们应该把重点放在气候变化等更为明确的威胁上例如,由于这些病菌的茁壮成长需要较高的温度,因此全球气温升高让北半球国家得得更温暖,从而更容易发生通常“南半球国家”才出现的疾病,如疟疾、霍乱和登革热等 另一种观点是,我们不应忽视永久冻土中病原体带来的风险,因为我们无法对这些风险进行量化 克拉弗维称:“我们和其他人的研究发现,致病性微生物复活并感染我们人类的概率不是为零的,具体多少可能还不知道的,但确实有这种可能性它们可能是可以用抗生素治愈的细菌,也可能是具有耐药性的细菌或病毒如果病原体长时间没有接触到人类,那么我们免疫系统对它不会有所准备所以,