互动科普

我们周围的空气中充满了微生物，每一次呼吸，我们都会吸入成千上万的细菌、病毒和真菌。大约150年前，科学家就已经知道，空气中的一些微生物会导致植物、家畜和人患病。最近的一项研究还表明，微生物可以通过提高水的凝固点和引发降水来影响天气。更为神奇的是，一些微生物会随着气流漂洋过海。目前，科研人员正试图利用新工具和新技术，搞清楚这些微生物的起源地在哪里、它们是如何传播的，以及在传播过程中会对环境产生怎样的影响。

十多年前，我们两人就开始追踪一部分病原体，特别是那些对农作物有害、会使农作物生病（如枯萎病和霉菌中毒），进而每年给全球造成数十亿经济损失的病原体。为此，我们进行了分工，一人（施马勒）负责病原体的空气生物学研究；一人（罗斯）负责开发数学模型，描述和预测气流近距离及远距离运动的轨迹。我们从2006年开始合作，追踪植物病原体，探究其如何在农田、地区和大陆之间传播。

为了达到上述目标，我们部署了一支无人机编队，并配备了采样装置，用来收集和分析低层大气中的微生物（这也是我们研究的亮点）。结果显示，每次采样都会检测到很多有趣的生物体——其中有很多都是没有被充分研究过或前所未闻的。我们不仅开发出了新工具，能更好地追踪微生物在大气中的远距离传播，还提出了一些新的假说，比如微生物能够借助风传播多远，以及它们如何诱发雨、雪和其他形式的降水。

我们的工作或许能给农业部官员带来便利。他们可以利用我们的模型，监控大气中那些会引发农作物疾病的微生物，预测它们的传播轨迹，进而作出决策——哪些农田需要救治，哪些农田需要隔离。这些信息对农民也有用，他们可以藉此决定，在地里种哪种农作物，以及什么时候喷药能最大程度地保护农田。在这些微生物中，我们重点关注了一种名为禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）的真菌。过去几十年中，禾谷镰刀菌传播的范围和速度均有上升，其部分原因是气候变化和免耕法导致田地中作物残体增加。这种真菌对农作物的感染可持续一年以上，每当农业专家（包括我们）担心，气候变暖可能会严重威胁未来的粮食供给时，我们都会想到禾谷镰刀菌和其他一些真菌，如果它们大规模爆发，就会导致粮食不能食用。

植物霉菌中毒

致病微生物可能给农业带来毁灭性的损失，这一点很多人并不了解。赤霉病（fusarium head blight，FHB）是最严重的植物病害之一，它能使小麦、大麦、燕麦等小粒谷类作物穗部变白，且谷粒中充满一种名叫霉菌毒素的化学物质。当人类和家畜摄入大量霉菌毒素时，会感到恶心，并伴有呕吐。由于含有这些毒素的谷物与健康的谷物很难分开，因此收获的粮食必须经过检测，毒素稍有超标就必须销毁。

镰刀菌有很多种，其中一些会在全球各地引发赤霉病。例如，亚洲镰刀菌（Fusarium asiaticum）一直困扰着中国中部地区，最近该病菌开始向北扩展；禾谷镰刀菌（F. graminearum）主要分布于美国，20世纪70年代曾肆虐玉米地，并造成大量食用玉米饲料的家猪生病［也正是该事件导致了脱氧雪腐镰刀菌烯醇（deoxynivalenol）的发现，该毒素会使猪呕吐甚至拒食］。由于防控赤霉病费用很高，在美国许多州，种植小麦都越来越无利可图了。

冬天，禾谷镰刀菌会藏进上一年收割后留在地上的作物残体内。到了春天和夏天，它们的子囊壳会在这些残体上发育，并向空气中释放孢子。这些孢子会降落到小麦花药或玉米须上，然后开始萌发生长。就这样，禾谷镰刀菌在植株体内蔓延，最终导致霉菌毒素积累在谷粒里。由于这种植物间的交叉感染，农业推广人员向农民建议：避免在种植玉米和其他易感染赤霉病的品种后，立马种植小麦。

试验田上空的试验

我们合作研究的目标之一是探究微生物如何在大气中远距离传播。第一步，我们决定以一块感染的田地为起点，测量禾谷镰刀菌一个白天或夜晚能够传播的距离。

在美国小麦和大麦赤霉病研究计划（U.S. Wheat and Barley Scab Initiative）和弗吉尼亚小粒谷物委员会（Virginia Small Grains Board）的资助下，我们在弗吉尼亚的商业麦田开展了一系列实验。首先，我们从弗吉尼亚州的其他地方分离出禾谷镰刀菌的一个菌株，并标记DNA。这样，我们可以将其与试验田本身存在的菌株相区分。随后，我们用该菌株感染了大约5000平方米的麦秆，并在其周围不同距离处放置了很多培养皿，以收集镰刀菌的孢子。

一次实验中，我们在试验田1000米之外发现了实验菌株。但是，由于1000米已经是我们研究的极限，这并不能代表孢子能够传播的最远距离。但不管怎样，这个数据表明，镰刀菌孢子传播的距离已经超过了很多研究人员之前的预期。

为了确定实验菌株孢子能遍及的范围，我们决定在试验田上空搜寻微生物，而不是继续在更远的距离放置培养皿。在越高的地方发现孢子，我们越有可能根据气象学家使用的复杂数学公式，来推断孢子理论上能够传播的距离。

为此，我们定制了许多无人机。这些无人机配有独特的采样装置，以便在飞行时收集和分析空气中的微生物。在美国国家科学基金会新兴前沿和动力系统项目（Emerging Frontiers and Dynamical Systems programs of the National Science Foundation）的资助下，我们利用无人机在弗吉尼亚州上空收集标定的那种禾谷镰刀菌孢子。分析结果显示：一些真菌在空中悬浮了数小时之久，该时长已足以使真菌被跨度达数百千米的大尺度天气模式所影响。

进一步调查显示：短暂存在的隐形“空气墙”，在决定真菌能传播多远、何时着陆的过程中，扮演着重要角色。“空气墙”的正式名称为拉格朗日拟序结构（Lagrangian coherent structures，LCSs），当不同气流（或其他流体）相遇或绕过某一障碍物（例如山、飞机机翼等）时，就会显现出来。当微粒与“空气墙”接触时，气流的初始方向和速率决定了这些微粒下一时刻的运动轨迹。根据混沌理论的复杂数学公式和物理学的一个专业分支——非线性动力学，我们可以利用计算机来模拟微粒在空中的运动轨迹。

就像大家预料的那样，这些短暂存在的“空气墙”驱动着多种天气过程。例如，复杂多变的“空气墙”可以形成、加强或减弱大西洋上空的气流，当飓风经过水面时，气流会增强或者消散。相比于海面，其他小规模的界面直接决定了空气中的病原体在经过山谷时，是上升、下落还是盘旋，以及这些病原体为什么降落在某个农场，而不是毗邻的地区。通过在连续的时空范围内跟踪“空气墙”，我们提出了一个假说，可用于帮助推断，当一个特定区域遭遇各种微生物威胁时，这些微生物可能来自哪里，并去向何方。我们正在不断完善这个假说，以后，农民或许会发现，我们的微生物预报像天气预报一样有用。

镰刀菌真菌只是冰山一角。由于微生物可以在空气中传播，因此对于微生物而言并不存在国界。例如，在20世纪90年代末期，一种具有致命毒性的小麦秆锈菌新种Ug99，从乌干达扩散到了整个非洲大陆，澳大利亚和北美的小麦种植者也十分担心该菌种会借助印度洋和大西洋上空的盛行气流抵达自己的农田。此外，2004年，大豆锈病的病原菌通过南美的飓风“伊万”抵达美国，目前该菌种冬天藏身于美国南部（该菌种在寒冷的冬天无法存活），到了农作物的生长季，它就借助可预测的气流路线传播到美国东北部和中西部。为此，美国农业界联合建立了全美监测网络，密切关注病原体每年的季节性传播。

有趣的是，很多微生物并不能熬过如此漫长的空中旅行。长期暴露在紫外线辐射下，微生物可能会死亡。但是，一些微生物会附着在沙尘上，以此躲避太阳的炙烤。一些科学家［例如来自美国地质调查局的戴尔·格里芬（Dale Griffin）］已经发现了几条全球沙尘运输路线，例如从非洲到欧洲和亚洲的路线，及亚洲到美国的路线等。事实上，每年都有数亿吨的撒哈拉沙尘及附着其上的微生物抵达佛罗里达。除了引发灰蒙蒙的天气，这些灰尘还严重破坏了生态环境。最近的研究表明，引起加勒比海珊瑚病害的部分病原体（特别是导致海扇患病的曲霉病病原体），可能就是“乘”非洲沙尘来的。目前，非洲西北部不断扩大的沙漠化正导致越来越多处于干旱边缘的土地转变为沙漠。这些沙漠将成为大量致病微生物的庇护所，进一步加剧微生物对全球农业的威胁。

微生物能影响天气？

微生物不仅可以通过空气传播疾病，还可能影响陆地、湖泊和海洋上空的某些天气现象。气象学家早就知道，只有当云中形成小冰晶时，才能进一步形成冰雹、雨、雪，并降落到地面。而冰晶周围最终要形成雪花或雨滴，还需满足一些特殊的环境条件，比如存在凝结核（例如煤烟）。凝结核可以提高水的凝固点，使水在较高的温度下也能凝结（没有凝结核的纯水直到大约-38℃才会凝结）。

1982年，蒙大拿州立大学的戴维·桑兹（David Sands）和同事提出了一个假设：除了尘埃等颗粒物，丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）也可以作为冰晶的凝结核。在随后的研究中，他们提出了一种可能的机制。某些丁香假单胞菌可以在细胞表面分泌一种特殊的蛋白质（ice-nucleating protein，冰核蛋白），进而截获水分子使其形成冰晶。在地面上，这些丁香假单胞菌产生的冰核蛋白可以使植物组织内的水分凝结，从而导致宿主细胞发生冻害。此外，该细菌还可随着上升气流钻进云中。桑兹认为，如果这些细菌产生足够多的冰核蛋白，它们完全可能引发雨雪天气。

不管这个假说是否正确，至少它提供了一个新的思路。桑兹的研究发表后，许多研究人员在雨雪的样本中都发现了丁香假单胞菌。然而，这些微生物究竟是“造雪”能手，还是仅仅附着在雨雪上，还很难证明。不过，对于这一问题，滑雪场经营者似乎并不需要一个确切的答复——在温暖的冬季，大多数经营者都采用含有少量丁香假单胞菌的商业凝结核，来实现人工造雪。

桑兹的假说促使我们开始寻找是否还存在其他能引发降水的微生物。在美国国家科学基金会生物多样性项目（Dimensions of Biodiversity program of the National Science Foundation）的支持下，施马勒和同事开展了相关研究，研究结果显示：能促发降水的微生物种类，远比我们想象得要多。在弗吉尼亚州的空气和雨水中，施马勒和鲍里斯·维纳扎（Boris Vinatzer）收集了很多不同类型的、可作为凝结核的细菌和真菌。他们还发现，不同种类的微生物，分布的地理位置也不太相同。如果我们对这些微生物的分布规律有更全面的了解，就可以更好地预测天气。或许，我们最终还可以利用这些微生物开发新的工具，从而在干旱地区或遭受旱灾的地方实施人工降雨。

最终，我们希望将水滴中微生物的数据与拉格朗日拟序结构计算相结合，看看在湖泊、河流和海洋上方的空气中，会有什么有趣的现象发生。目前，我们已经开始通过无人机和无人驾驶船在水域附近收集微生物样本。要描述包含微生物的气流与巨浪、狂风或飞溅的雨滴相遇时的情形，需要的数学公式比我们之前尝试的任何计算都要复杂。毫无疑问，我们的研究将揭示微生物全球传播的一种新方式，而且，由于地球上70%的面积都被水覆盖，它也是一种极为值得我们关注的传播方式。