真菌是树木“毛发俱乐部”的创始人

本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点

作者注：我对你们感到好奇，并与科学家 Paige Brown Jarreau 合作，于今天启动了一项针对我读者的调查。详情请见本文末尾！

在 1916-17 年的冬天，阿尔弗雷德·魏格纳在德国军队的气象部门服役。那年冬天的某个时候，也许是在执行公务的过程中，他注意到法国孚日山脉靠近德国边境的倒木和树枝上长出了一些奇怪的东西。它看起来像是奢华、丝滑的冰发。

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魏格纳的名字可能听起来很熟悉。他后来因比树木的毛发更惊天动地的事情而闻名：大陆漂移。他是最早和最积极倡导这一观点的人之一。

然而，他大大高估了大陆漂移的速度，这对他的论点没有帮助；他缺乏整个大陆可能犁过海底的机制；而且（从地质学家的角度来看，最糟糕的是）他是一位气象学家。当然，他不可能对陆地有任何明智的见解——尤其是一些颠覆了数百年地质学正统观念的见解。

1912 年，他出版了《海陆的起源》，但在之后的几年里，他的观点遭到了更广泛的地质学界的嘲笑和驳斥。直到 20 世纪 40 年代，英国地质学家亚瑟·霍姆斯才发表了关于漂移的合理机制，直到 20 世纪 60 年代，大西洋中脊两侧匹配的磁带记录仪的铁证被发现，大陆漂移——很快更名为板块构造——才几乎被普遍认为是地球地质学的主要驱动力。那时，魏格纳早已去世；他在 1930 年在格陵兰岛为一个研究站补给时遇难。

与此同时，他关于毛发冰这一重要主题的研究，理所当然地，仍然鲜为人知。

但科学家们并没有放弃它，来自德国和瑞士的一个团队最近取得了一项发现——于 7 月发表在期刊Biogeosciences上——这不仅证实了魏格纳关于成因的观点，而且还确定了赋予鹅耳枥和接骨木沙龙级美发的“造型师”。

毛发冰由极细的丝状物组成，宽度仅为 0.02 毫米，长度可达 20 厘米。它通常出现在无树皮的枯木或树皮开始剥落的木材上。它通常在潮湿、腐烂的、躺在地上的原木和树枝上发现，但有时也在仍然站立的树木的枯死部分发现。这些“毛发”光滑而有光泽，可能像人类的头发一样，有波浪、卷曲甚至分叉。

“荷兰乌得勒支省奥斯特利茨的 IJshaar”，作者：Ronaldhuizer - 自己的作品。根据 CC BY 3.0 许可通过 Commons 发布。

这是一个毛发冰形成的延时视频

只有在狭窄的条件下才允许毛发冰形成。如果空气太干燥，毛发冰会升华，因此空气必须潮湿。平静的条件也有帮助。此外，温度必须低于 0

°C（32°F）——但只需略低于冰点即可。最后，毛发冰主要出现在北纬 45° 至 55° 之间，这个纬度带包括美国北部、加拿大、俄罗斯和北欧。

毛发冰还有其他一些特性。一旦一块木头获得了生长毛发冰的能力，它就会保持这种能力，并且可以多次重新长出“毛发”。这些“毛发”也从木材的特定部分“射线”中长出。“射线”是从树木中心向树皮外生长的木质细胞，当树木被横向切割时，会呈现出射线状外观。

在活树中，这些细胞是输导组织，可以将食物和水分从树干内部输送到外部，反之亦然，还可以储存淀粉、蛋白质和称为脂质的脂肪物质。射线细胞还可以产生特殊的物质，如树脂。在这张照片中，你可以看到年轮（较大的导管在春季和夏季形成，较小的导管在冬季形成），它们被径向排列的射线细胞分隔开。

“EicheQuerschnitt”，作者：http://de.wikipedia.org/wiki/Benutzer:ConstantinSander - http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:EicheQuerschnitt.JPG。根据 CC BY-SA 3.0 许可通过 Commons 发布。

值得注意的是，冰“毛发”的厚度与发现它们的特定树种的木材射线细胞的直径完全相同。

科学家们还怀疑，一种称为“冰析离”的现象在毛发冰的形成中发挥作用。冰、水和多孔物质（如土壤或木材）都必须存在才能发生这个过程。土壤或木材也必须被水浸透。一旦冰晶形成，它的生长就会由水通过毛细作用向木材或土壤孔隙表面的冻结处移动来驱动。只要基质中有“液态水燃料”，并且它可以通过毛细作用移动，冰就会继续生长。渐渐地，随着液态水被排出，木材或土壤会变干，当液态水消失时，冻结就会停止。

冻胀——坑洼的常见原因——是冰析离的一个例子。冻胀导致土壤隆起，因为在冰析离形成的冻结锋面下，冰晶的生长将土壤向上推。

冰析离解释了毛发冰最初是如何形成的。但它无法解释“毛发”的奇妙形状以及它能持续数小时或数天的原因。一定还有其他因素参与其中。

当魏格纳第一次遇到毛发冰时，无论是在 1916/17 年的孚日山脉，还是在 1918 年 2 月的德国北部莱茵斯贝格，他都注意到有“毛发”的树枝上有一层真菌丝状物。他推测这种真菌在毛发冰的形成中发挥了作用。多年来，其他科学家已经证实，真菌存在于产生毛发冰的木材中，但没有人测试真菌是否对毛发冰的产生至关重要。

为了调查活真菌的存在是否对毛发冰的形成至关重要，德瑞团队用杀菌剂处理产生毛发冰的木材，以 15 分钟为增量，最长处理 120 分钟。即使在 15 分钟时，木材产生的毛发冰也比对照组少得多，120 分钟时则完全停止了产生。

热水处理产生了相同的效果，即使仅处理一分钟，也完全抑制了随后的毛发冰生长。经过杀菌剂处理和热处理的木材随着时间的推移慢慢恢复了产生毛发冰的能力——可能是因为真菌从毒性暴露中恢复过来，或者一些孢子存活下来并在后来发芽。

接下来，科学家们试图确定所涉及的真菌或多种真菌。一个清晰的模式出现了。虽然许多树木可以产生毛发冰——来自五个科的 10 种阔叶植物——但在每个毛发冰样本中只出现了一种真菌：Exidiopsis effusa。

当毛发冰在深秋首次形成时，它还不可见。但几周后，它的“不引人注目的子实体”——基本上是一种朴素的白色薄膜，也可能带有蓝色、灰色或粉红色——出现在所有产生毛发冰的样本的相同区域，正如魏格纳所描述的那样。

“Exidiopsis effusa a1 (5)”，作者：Jerzy Opioła - 自己的作品。根据 CC BY-SA 4.0 许可通过 Commons 发布。

在真菌涂层下的木材内部，木材细胞充满了称为菌丝的真菌丝状物。它们沿着木材导管生长，但也利用木射线进入木材的更深处。

真菌是否在积极地做些什么来产生毛发冰？当科学家们观察冻结过程中产生的热量时，他们发现真菌几乎没有产生热量，这表明它可能没有进行代谢，也没有在毛发冰的形成中发挥任何积极作用。然而，活真菌必须存在才能形成毛发冰。是什么解释了这个难题呢？

冰有一种特殊的趋势，称为“重结晶”。在这个过程中，在水分子短暂融化和重新冻结时，表面张力的驱动下，小冰晶会迅速溶解并融入较大的冰晶中，从而促进大晶体的生长，以牺牲小晶体为代价。

在自然界中，生活在极地气候中的鱼类、昆虫、植物、真菌和细菌等生物通常拥有称为“重结晶抑制剂”的蛋白质——有时也称为“生物防冻剂”——它可以阻止小冰晶通过这个过程生长成更大的冰晶。在细胞内部，大晶体是不好的，因为当它们足够大时，它们会刺穿细胞膜或撕裂整个组织。在人类中，冻伤是可怕的结果。

由于毛发冰的细丝可以保持其精致的形状数天，这强烈地向Biogeosciences论文的作者暗示，毛发冰“掺杂”了某种重结晶抑制剂。支持这一观点的证据是，他们说，融化的毛发冰的水呈棕色，这表明其中悬浮着某种有机物质。

当毛发冰融化并通过质谱分析法研究其化学成分时，科学家们发现其中的有机物质是木质素和单宁，这是木材的两种主要成分。木质素就像木材中的钢筋——它们稳定细胞壁，防止被挤压。木质素也是最坚固的生物化学物质之一，几乎无法被生物体消化。没有动物可以消化它，只有少数真菌和细菌设法找到了方法。单宁使森林湖泊和茶水变成棕色，阻止食草动物和寄生虫，并赋予红酒那种涩味（去年，我在这里写了关于植物细胞器官发现单宁的文章）。

关于木质素和单宁，似乎相关的是，它们是大的、不规则的分子，可能充当冰晶成核剂——或作为重结晶抑制剂。一个潜在的线索：一种形式的木质素减缓了水泥的硬化。或者，木质素和单宁的存在可能是一个障眼法，而重结晶抑制剂可能是由Exidiopsis effusa产生的其他有机化学物质。无论它是什么，它也可能存在于融化时出现在毛发冰内部的细小的短暂“毛发”中。

真菌的作用似乎不是“制造”毛发冰，而是在被动地塑造它，通过其存在于向外指的喷嘴状射线细胞中，并与真菌产生的重结晶抑制剂结合。射线细胞通过其直径和冰析离被动地产生初始形状，而存在于水中并在冻结过程中嵌入冰中的重结晶抑制剂被动地防止细“毛发”的形状在发芽后变成更大的晶体。但显然，这只能由活着的真菌产生的物质来完成。

真菌正在产生的某种物质必须作为重结晶抑制剂发挥作用，才能使那些长而美丽的“毛发”——长径比高达 10,000:1——在接近冰点的情况下持续数小时或数天，而此时冰很可能发生短暂的融化和重塑。因为当科学家们用毒药或热水浸泡产生毛发冰的木材时，那些失去了神奇的“鬃毛”制造能力的树枝，剩下的只是无聊的冰壳。

特别说明：我对我的读者们感到好奇！ 我与研究员 Paige Brown Jarreau（博客 From the Lab Bench 的作者）合作，创建了一项针对我读者的调查。通过参与，您将帮助我改进The Artful Amoeba，并为 SCIENCE 做出关于博客读者群的贡献。您还将从 Paige's Photography 获得免费的科学艺术品，以及有机会赢得 50.00 美元的亚马逊礼品卡（100 张可用，或保证每个参与此调查的特定博客 2 张）或一件 T 恤。完成调查只需 10-15 分钟。您可以在这里找到调查：http://bit.ly/mysciblogreaders。

参考文献

Hofmann, D.，G. Preuss 和 C. Mätzler。“毛发冰生物成型的证据。”Biogeosciences Discussions 12 (2015): 5293-5332.