我们周围的空气中充满了微小的生命。我们每次呼吸都会吸入数千种细菌、病毒和真菌。科学家们在近 150 年前就已经知道，其中一些空气传播的微生物会导致植物、家畜和人类疾病。最近，我们了解到微生物也可能通过允许水在较高温度下冻结并触发降水开始来影响天气。令人惊讶的是，其中一些微生物会随着大型气流漂移，跨越海洋和大陆。新的工具和技术正在帮助调查人员更多地了解这些生物体的起源地、传播方式以及它们在旅行过程中以通常出乎意料的方式影响我们世界的方式。
十多年来，我们两人一直在追逐一些对农作物特别有害的病原体，这些病原体每年给全球造成数十亿美元的损失，这些损失来自多种疾病，包括枯萎病和毒素中毒。我们中的一位（施梅尔）研究引起植物疾病的微生物的空气生物学；另一位（罗斯）开发描述和预测气流如何在短距离和长距离移动的数学模型。我们在 2006 年合作追踪植物病原体从一个田地、地区或大陆传播到下一个田地的途径。
为了实现这一目标（以及我们合作的独特之处），我们部署了一小队配备采样装置的空中无人机，以收集和分析来自低层大气的微生物。每次采样任务都会发现各种有趣的生物体——许多生物体要么没有得到充分研究，要么以前不为科学界所知。我们开发了新的工具来理解大气中微生物的长距离传输，并形成了关于某些微生物可能随风传播多远以及它们可能如何帮助触发雨、雪和其他形式降水的新假设。
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最终，我们的工作可能会使农业官员能够监测空气中引起疾病的微生物，预测它们可能传播到哪里，从而确定要处理或隔离哪些田地。此类信息将使农民能够决定，除其他外，种植哪些作物品种或何时喷洒杀菌剂或其他化合物以保护其产量。我们的研究主要集中在一种特定的病原体，即禾谷镰刀菌，这是一种真菌，在过去几十年中，它比以往任何时候都传播得更远更快，部分原因是气候变化和免耕措施增加了田地里的作物残留物，使感染能够从一年持续到下一年。每当农业专家（包括我们自己）担心进一步的全球变暖可能会在不久的将来严重威胁世界粮食供应时，我们都会想到这种真菌和其他真菌的爆炸性传播，这些真菌使谷物不适合食用。
食物中的毒素
许多人没有意识到引起疾病的微生物对农业的破坏性有多大。最严重的植物疾病之一是镰刀菌穗腐病（FHB，俗称赤霉病），它会使小麦、大麦、燕麦和其他小粒谷物的穗变白，并在谷粒中充满称为霉菌毒素的化学物质。当摄入足够量的霉菌毒素时，会使人和牲畜生病，通常会导致呕吐。由于含有毒素的谷物通常无法与健康的谷物分离，因此必须对收获的作物进行检测，如果它们含有超过痕量的毒素，则必须销毁。
飞行计划：用于研究低层大气微生物的无人机携带经过特殊改装的培养皿，这些培养皿可以在地面上打开和关闭 (1)。从空气中收集的孢子在实验室中生长成镰刀菌的纯培养物 (2)。无人机按照预先编程的路线飞行 (3)。图片来源：亚当·尤因
镰刀菌属的几个不同种类的真菌会在世界各地引起镰刀菌穗腐病。亚洲镰刀菌长期以来一直是中国中部的一个问题，最近已开始向北蔓延。禾谷镰刀菌在美国占主导地位，它在 20 世纪 70 年代对玉米造成了严重破坏，导致许多猪生病（这次爆发导致发现了脱氧雪腐镰刀菌烯醇霉菌毒素，这种毒素会导致猪呕吐并拒绝吃饲料）。由于控制镰刀菌穗腐病的成本非常高昂，因此在美国小麦普遍种植的许多州，小麦的种植和收获变得越来越无利可图。
禾谷镰刀菌通过藏匿在前一年收获后留在地上的植物中来过冬。在春季和夏季，称为子囊壳的真菌结构在这些残留物上发育，并将镰刀菌孢子强力释放到空气中。这些孢子反过来会落在新长出的小麦花药和玉米须上。孢子发芽，真菌在植物中蔓延，最终导致霉菌毒素在谷物中积累。从一种作物到另一种作物的交叉污染是农业推广人员建议农民避免在刚种植过玉米或其他易患镰刀菌穗腐病的作物的田地里立即种植小麦的原因。
空气墙
我们合作研究的目标之一是了解微生物在大气中长距离传输的方式。作为第一步，我们决定测量禾谷镰刀菌在一天或一夜的过程中可以从受感染的田地通过空气传播多远。
在美国小麦和大麦赤霉病倡议和弗吉尼亚州小谷物委员会的资助下，我们在弗吉尼亚州的商业麦田中进行了一系列实验。我们采集了一种特定的禾谷镰刀菌菌株，该菌株是我们从该州其他地方分离出来的，并将其特征描述到 DNA 水平。通过这种方式，我们可以将其与我们即将研究的田地中已经存在的菌株区分开来。然后，我们将感染了我们的测试真菌的玉米秸秆撒播在约半公顷大小的区域上，并放置了一系列培养皿，以捕获可能存在的镰刀菌孢子，这些孢子位于地面上距离接种地点的不同距离处。
在一组实验中，我们从最初释放地点近一公里的地方回收了我们的测试菌株的孢子。但是，没有人知道一些孢子可能传播得更远，因为一公里是我们回收工作的极限。无论如何，现在看来很清楚，镰刀菌孢子可以传播得比大多数研究人员之前预期的要远得多。
我们没有仅仅继续在州内更远的地方的地面上散布培养皿来寻找我们独特的镰刀菌孢子，而是决定在我们研究的田地上方的空气中寻找微生物。我们发现微生物的高度越高，我们就越有可能求助于气象学家用来追踪天气的一些复杂数学计算，以确定它们在理论上可以传播多远。
因此，我们定制了多架无人机（无人驾驶飞行器），配备了独特的采样装置，以在飞行过程中收集和分析微生物。在美国国家科学基金会新兴前沿和动力学、控制和系统诊断计划的资助下，我们使用无人机收集了一些已经在弗吉尼亚州我们头顶漂浮的禾谷镰刀菌孢子。对结果数据的分析表明，其中一些真菌已经在空中漂浮了几个小时——足够长的时间让跨越数百公里的大规模天气模式搅动它们。
图片来源：艾米丽·库珀
进一步的调查显示，短暂的、看不见的移动“空气墙”在决定这些真菌传播多远以及在哪里着陆方面起着重要作用。这些大气特征，正式名称为拉格朗日相干结构 (LCS)，只要不同的气流（或任何其他流体）相互碰撞或绕过障碍物（如山脉或飞机机翼）运行时就会出现。气流在接触瞬间的初始方向和速度决定了各种空气粒子接下来将传播到哪里，从而创建可以使用混沌理论的复杂数学和称为非线性动力学的专门物理分支通过计算机模拟的模式。
正如您可能预期的那样，这些临时的空气墙推动了我们在任何一天看到的大部分天气。复杂且不断变化的 LCS 模式已被证明可以塑造、集中和分割大西洋上空的空气，例如，飓风的风要么聚集力量，要么随着风暴在水面上移动而消散。不太广泛的界面决定了空气传播的病原体如何在山谷中攀升、俯冲和盘旋，有时会降落在一家农场，但不会降落在相邻的土地上。通过跟踪 LCS 随时间和空间的变化，我们已经形成了关于特定地区的各种微生物威胁可能来自何处以及它们可能接下来去往何处的假设。随着我们越来越擅长开发这些信息，农民可能会发现咨询我们的微生物预报与天气预报一样有用。
镰刀菌真菌只是冰山一角。由于微生物通过大气传播，它们显然不尊重国际边界。一种致命的小麦秆锈菌菌株 (Ug99) 自 20 世纪 90 年代后期从乌干达起源以来一直在非洲大陆上蔓延；澳大利亚和北美的种植者尤其担心它可能通过印度洋和太平洋上空的常规大气环流抵达。大豆锈病最初在 2004 年随着飓风伊万从南美洲进入美国；它目前在美国南部过冬，并在每个生长季节通过可预测的气流路线年度进入东北部和中西部地区（这种真菌无法在严酷的冬季中生存）。一个农业利益相关者联盟甚至建立了一个国家监测网络，以密切关注这种病原体每年的季节性传播。
微生物不是唯一随风飘动的颗粒。水蒸气、空气污染、野火产生的烟雾，甚至危险释放产生的化学制剂，都受到 LCS 的影响。幸运的是，我们检测和预测 LCS 的能力也在提高。在最近在科罗拉多州圣路易斯谷进行的涉及 100 多名参与者的实地考察活动中，我们同时使用了多架无人机，并结合地面测量，首次基于风力测量实验性地检测到 LCS。当化学制剂在空气中时，LCS 在很大程度上决定了它的移动和扩散方式。我们的最终目标是使用来自传感器群的环境数据来驱动基于 LCS 的有害制剂传输模型，这些模型可以为关于快速应急响应的正确实时决策提供依据。使用来自无人资产的实时数据、用于加速和改进传输分析的先进数学技术以及预测性降阶模型，可以帮助辅助未来的应急响应决策。
无害的荧光染料被释放到水中。作者使用无人机对羽流进行成像，以估计染料浓度以及染料如何流入环境。图片来源：肖恩·罗斯
风和水
微生物不仅在空中传播疾病。它们也可能有助于在陆地、湖泊和海洋上创造天气。气象学家早就知道，冰雹、雪和雨通常只有在云层中形成微小冰晶后才会从天而降。雪花或雨滴是否围绕冰形成取决于某些环境条件，包括允许水在比平时更高的温度下冻结的颗粒（如烟尘）的存在。（纯水在低至约 –38 摄氏度的温度下才会结冰。）
某些丁香假单胞菌菌株在细胞表面产生一种特殊的蛋白质，这种蛋白质以某种方式捕获水分子，使它们开始形成晶格。在地面上，产生这些成冰蛋白的菌株可能会对农作物造成霜冻损害。但这些微生物也可以翱翔到云层中，那里的温度远低于零摄氏度。如果足够多的这些细菌在空中产生足够的成冰核蛋白，它们就可能会触发雨滴或雪花的形成。微生物是否主要负责降水的开始还是主要搭便车很难证明。然而，滑雪场运营商并没有等待明确的答案：他们中的许多人使用含有少量丁香假单胞菌的商业成冰核剂，以在温暖的冬季白天制造人造雪。
在国家科学基金会生物多样性维度计划的支持下，施梅尔及其同事进行的研究表明，与降水相关的微生物比最初预期的要多样得多。在弗吉尼亚州，鲍里斯·维纳策和施梅尔收集了大气和降水中许多不同类型的细菌和真菌，这些细菌和真菌至少在实验室中可以充当成冰核剂。与降水相关的微生物多样性似乎因地理位置而异。更好地理解为什么每种微生物在不同地区占主导地位可能有助于我们更好地预测天气模式。也许我们最终可以使用其中一些微生物来开发工具，以便在干旱地区或遭受干旱的地区降雨。
最终，我们希望将我们对水滴中微生物的了解与我们对拉格朗日相干结构的计算相结合，以描述湖泊、河流和海洋表面上方空气中立即发生的情况。我们使用无人船队和空中无人机收集了水体上空的微生物，并跟踪了水中荧光染料和漂浮物体的运动，以更好地了解有害制剂（如有害藻华）的传输和混合。描述来自破碎海浪、狂风甚至雨水飞溅影响的载有微生物的空气和水的混合所需的数学方程式比我们迄今为止尝试的任何方程式都复杂。康奈尔大学的施梅尔和 Sunny Jung 最近的工作表明，在雨滴撞击后，植物病原真菌的孢子可以通过微小的龙卷风释放出来。然而，由于水覆盖了地球约 70% 的面积，我们毫不怀疑我们的发现将揭示微生物环球旅行的迷人新方式。