本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点
从太空看地球的经典景象是一个泛着蓝色的星球,表面覆盖着不断变化、纹理深刻的白色云层。我们经常会透过云层间的缝隙,寻找地表上可辨认的大陆和海洋,因为那是我们的领域,也是生命显而易见的领域。
但生命并不仅限于地球的岩石和液体,它也渗透到大气层中。鸟类、昆虫、植物和真菌 都在利用空气这种遍布全球的流体及其气流和湍流。而且,广阔的微生物生物圈似乎也延伸到了这个领域。
从表面上看,空气中漂浮着单细胞生物并不令人惊讶。在几微米的尺度上,例如细菌,很容易被抬升到大气分子的混合物中。植物、海洋、陆地和人类城市区域不断地喷射微生物。土壤侵蚀扬起土壤微生物,海洋蒸发扬起海洋微生物,而每一种咳嗽喷溅的动物都有助于将微小的生物注入空气中。
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大气采样表明,至少在地球平流层底部,在极地地区海拔约 7 公里处,一直到赤道地区约 20 公里处,都存在明显的生物负荷,并且存在季节性变化。这些测量并不容易,部分原因是与地表标准相比,给定体积内的生物数量非常低——每立方厘米约 100 到 10,000 个细胞。但也因为基因组的多样性非常大。
一个重要的问题是,经常最终漂浮在空中的微生物物种是否也利用了这一点——或者实际上是否已经进化到不仅利用大气层的全球运输系统,还利用了它的其他一些特性。
多年来,所谓的'造雨细菌'一直是新闻热点。任何形式的降水都往往涉及凝结水蒸气液滴或晶体的成核或播种。由于生物颗粒物(不仅包括细菌之类的东西,还包括浮游植物产生的生物化合物,如二甲基硫,它会变成大气硫酸盐颗粒)占大气气溶胶的 20% 到 70% 之间,因此生命似乎可以发挥重要作用。事实上,有证据表明,南大洋的浮游植物大量繁殖可以为它们自己的云层播种。在全球范围内,生物气溶胶似乎将云滴数量增加了高达 60%。
但似乎漂浮在空中的物种 不仅仅是在物理上与地球的水文循环相互作用(这本身就是一件大事)。有证据表明,大气中存在代谢活跃的细菌。这并非确定无疑的事情,微生物倾向于在与其他物种混合的物理相关的菌落中协同工作效果最佳。
多年来,研究人员已经看到,某些云传播的物种,如果在实验室中培养,肯定会改变涉及碳、氮和氧的大气化合物的化学性质。其他研究试图测量原位代谢,表明醋杆菌科 的物种可能是活跃的。这些物种将 乙醇发酵成乙酸——而乙醇(可能令人惊讶地)通常存在于地球大气中,作为我们周围循环的复杂化学混合物的一部分。其他物种利用阳光并使用简单的有机酸化合物生长; 野火产生的有机酸种类。
与许多前沿科学一样,目前问题多于答案。但是似乎有证据表明,空气中代谢活跃的微生物 直接参与了地球核心的生物地球化学循环——在它们漂浮在地球周围时,不断地分解有机化合物。
正如我们花了很长时间才认识到我们世界地下生物圈的普遍性和规模一样,我们可能不得不进一步扩大生物学的范围,以包括我们头顶上方丰富但很大程度上不可见的空气领域。