云中生命与降雨

科学家首次进军几千米高空中的生命世界，并得出惊人结论：空中生态系统有可能对天气和收成产生影响……

飞机快速钻入内华达山脉上空厚厚的云层中。坐在飞机座舱后部的是美国加州圣地亚哥大学的教授、大气化学家金伯利·普拉瑟，她头上戴着耳机以缓冲飞机螺旋桨发出的轰鸣声的影响。此时，她一边用手扶着仪器支架，以便在飞机的上下翻飞中努力稳住自己的身体，一边专注地看着眼前的笔记本电脑屏幕——这台电脑正在对仪器从云层中获得的信息进行即时处理。

屏幕上显示的数字告诉普拉瑟：冬季的云层厚重而寒冷，温度低至-34℃，相对湿度超过100％。然而，尽管云层的温度比水的冰点低，但云滴依然为液体。因此，只要没有形成冰晶，除了时尔会在海拔４000米的雪山顶上飘下一些雪片之外，这些云一直都不会降雨。

飞行了两个多小时后，情况发生了变化。普拉瑟从耳机里听到有人说：“冰！”这时，飞机已经进入了一个新的云层，而云中的所有云滴突然间都冻结成了冰。检测仪器不断发出“滴嗒”声，云滴的大小和组分在显示器上快速闪过——有来自加州的铝、铁、硅、钛等化学粉尘，来自亚洲甚至遥远非洲沙漠的沙粒。此外，云滴中还含有一些别的东西——碳、氮和磷。

哪一朵云会下雨？

天空中像棉絮一样飘浮着的云彩是人们最熟悉不过的自然景象了。那么，哪一朵云会下雨呢？这是关于天气的一个最大的谜题。

一朵云飘浮在山顶，看似固定不动，实际上它就像大气之河中的一朵翻腾不定的浪花。当潮湿的空气上升到一定位置，如高高的山顶，那里温度很低，水气便凝结成水滴，形成了云。每分每秒都有新的云滴形成。但是，云滴的生命最多只能维持一个小时，因为它会被气流席卷到远处，然后变暖，蒸发，最终消失。只有形成冰晶，云滴才能以极快的速度变大变重，并在极短的时间里形成雨雪降落地面。

那么，冰晶是怎么形成的呢？放在冰块托盘中的水在大约０℃时就会结冰，但在大气中，纯净液态水在０℃是不会结冰的。大气中冰的形成有赖于水分子以特殊的六角形结合在一起，当这样的水分子达到足够多的数量后，冰晶就会快速增长，水滴也就会在瞬间形成。可是，要形成六角形的冰胚并不容易。在刚低于０℃时，需要大量的水分子结合在一起，晶体才能稳定地自我增长。但由于水分子不断地与周围的热空气产生交互作用，足够数量的水分子结合在一起的概率是非常低的，即使是在更寒冷的温度条件下。

不过，大气中的某些性质的微粒也起着促进晶核形成的作用，这被称为“成核作用”，这些微粒被称为“凝结核”（也叫“晶核”）。比如一粒小小的矿物质晶体就可以“诱引”水分子附着在其表面，形成冰晶体的六边形晶格。在地面，在人们家里后院的水坑里，或者在放了冰块的托盘里，由于周围环境中存在着大量的尘埃微粒，水在低于０℃时就会结冰。可是，在高空，云滴通常是非常纯净的，不包含任何能够有效成核的粒子，因此在-35℃～-40℃温度条件下也无法成冰。不过，科学家发现，一些暖得多的云，有的甚至处在较温暖的-12℃，就充满了即将形成雨雪的冰晶。这又是为什么？

促使冰晶形成的神秘粒子

众多的科学家（普拉瑟就是其中之一）致力于回答：“哪一朵云会下雨？”这是一个看似简单，实则很难回答的问题。人们其实并不真正明白：为什么有的云会降下雨水，有的云不会降下雨水。谜底可能在于云中的冰晶晶核的物理构成。云能否降雨，取决于能否在较短时间内形成大量足够大的雨滴（一个雨滴约合100万个云滴）。尽管在地面，纯净水在大约０℃时就会结冰，但在高空中，纯净的云滴要在温度低至-34℃甚至更低条件下才有可能冻结成冰晶，而地球上的许多云都无法达到这样的温度。因此，通常情况下，为了形成雨和雪，需要借助于云中漂浮的微粒来促使冰晶的形成。空气中含有无数的微粒，但并不是所有的微粒都能起作用，其中只有大约百万分之一的微粒具有合适的几何形状，适合水分子附在其表面形成冰晶。显然，如果没有它们的触发作用，地球上的降雨量将比实际情况要少得多。

长期以来，科学家一直认为烟尘和粉尘是水分子的最佳附着微粒。但最新研究发现，天空中充满了各种细菌，而其中一些细菌携带的基因能令它们形成冰晶。这引起了研究人员极大的兴趣，他们着手对漂浮在天空中的数千种微生物进行研究，其中许多是他们以前不知道的，一些甚至能够在生存条件之严酷堪比火星表面的平流层中活下来。在相对较高的温度条件下成核的云滴中究竟含有什么样的奥秘呢？几十年来，科学家们一直都在寻找能够让大气中的云滴在较暖条件下形成冰晶的神秘粒子。

回到本文开头，普拉瑟在10千米以上的高空发现了碳、氮和磷。我们知道，碳、氮和磷都是构成生命的基本元素，因此它们的存在暗示生命的存在。在普拉瑟的眼中，天空并非没有生命的世界，天空中充满肉眼看不见的生命。风暴裹挟着包含细菌、真菌和藻类等的微粒，升到10千米以上，在强雷雨天气产生的电场作用下，甚至还能跃升到20千米高空的平流层。普拉瑟的研究表明，来自亚洲和非洲的灰尘中可能隐藏着来自全球各地的冰核微生物。

寻找冰核微生物

20世纪60年代中期，加拿大麦吉尔大学的博士生加博尔·瓦利将自己大部分的研究时间都用在寻找冰核微生物这种神秘粒子上。他用了几个月的时间，一升一升地收集雪片和雨水，然后带到实验室里，用注射器将它们一滴一滴地滴到铝箔片上，每片上都有100滴。之后，他将这些铝箔片进行降温处理，每分钟令温度下降-17℃，每30秒拍摄一张照片，再将拍摄的照片投影在墙壁上，观察每一滴样本结冰时的温度情况。

瓦利每天做10次这样的实验，一连坚持了好几年。他发现，每滴雨雪样本的结冰温度不尽相同，取决于漂浮在其内部的尘埃微粒的性质。极少数的雨雪样本会在-5℃时结冰，但数量太少，不足以说明问题。他想，自己一定疏忽了什么关键的东西。

直到有一天，瓦利突发奇想，他从孩子们玩的秋千上抓了一把泥泞的雪带回实验室做实验。研究人员做实验时一般用的是无菌纯净的矿物质颗粒，瓦利这随手抓来的一把脏雪却让他的研究峰回路转，取得了意想不到的结果。

瓦利发现，在脏雪中获取的水滴样本，在-5℃结冰的概率比纯净水滴样本要大得多。他又在样本中加入一些腐叶物质，结果有几个样本甚至在-2℃时就结了冰，这是他所见到过的最高结冰温度。他注意到，变成黑褐色的叶子的效果最为明显。他猜测，叶子上一定有什么东西促成了冰的形成。就在这时，瓦利完成了他的研究生学业，进入美国怀俄明大学攻读博士。

1972年，怀俄明大学的研究生理查德·弗雷什发现，腐烂叶子上有一种叫做“丁香假单胞菌”的细菌促使了冰的加快形成。与此同时，美国威斯康星大学的博士生史蒂芬·林多也发现了丁香假单胞菌的成核作用。他发现，冰霜对农作物的伤害，不仅仅是因为温度的原因，还与叶片上的丁香假单胞菌有关，这种细菌利用冰晶作为“撬棍”，撕裂开植物细胞，摄取植物的营养成分。20世纪80年代，林多分离出了丁香假单胞菌的成冰基因。此后，研究人员相继发现了其他四种能够在较高温度下形成冰核的细菌，它们也都拥有形成晶核的基因。这一发现对于农业生产有着极为重要的意义。每年全球各地因冰冻导致的农作物损失高达数十亿美元。为防止出现这种情况，一些果树和蔬菜种植者常在霜冻出现之前使用灭菌剂。

微生物冰核的重要性已得到农业科学家的认可，却不被多数大气科学家所接受，他们坚持认为，只有烟尘、海盐，以及尘埃中的一些未经确认的矿物质才拥有在云中成核的能力。在这种情况下，瓦利试图在大气层的较低的几百米处收集能够成冰的微生物细胞，但没能成功。研究人员转而猜测，在大气层更高的地方，可能有着大量的微生物细胞在促成降雨或降雪。

在过去20年中，遗传技术取得了很大进展，帮助研究人员更方便地从云中的成千上万种微生物中找出隐藏其中的少数像丁香假单胞菌这样的成核微生物。

为了寻找到能够形成冰核的看不见的微生物微粒，美国路易斯安那州立大学的克里斯特纳从世界各地的雪山上收集雪水，重复地做着瓦利曾经做过的降温结冰实验。一旦发现在-6℃以上结冰的水滴样本，他就用能杀死细菌的酶进行处理，然后继续用这些样本做实验。结果发现，在同样温度条件下，高达85％的水滴不再结冰。

克里斯特纳的实验最终证明，细菌的确能促使水冻结。但又出现了一个问题：空气中的微生物究竟是在云中促使冰形成，或仅仅是在雨水雪花降落时一起被带下来的？了解真相的唯一办法是飞到云中进行现场观察。

到云中寻找答案

普拉瑟曾花了15年时间开发出一种装置，可以在大气中吸收微小的尘埃颗粒并在几千分之一秒的时间里即时分析出其化学成分。她研发这一装置的目的原本是用来调查空气污染。而现在，她想知道这种装置能否用来辨别云中的能够形成冰核的颗粒。

普拉瑟等人数十次飞到怀俄明州、科罗拉多州、蒙大拿州山区上空7600米以上的大气层中，他们在云滴中发现了大量的烟尘、海盐，以及许多当地的尘埃，但这些微粒上很少有冰晶附着在上面。相反，在发现的冰晶中含有的却是其他一些东西，其中50％的颗粒是来自亚洲或非洲沙漠里的高钛粉尘，另外30％似乎是含碳、氮和磷的生命体。而在此之前，还从来没有人在雨云中发现过生命的存在。

在进行了多次云中勘察，收集到10万个冰核粒子样本后，普拉瑟等人开始在电子显微镜下进行观察，结果发现一些微粒与细菌非常相似。现在他们正对它们进行测试，以寻找其中与冰晶成核相关的DNA序列。

普拉瑟等科学家探索研究的是大气中细菌对气候和环境的影响，而克里斯特纳的研究目标是神秘的高海拔生态系统。他想知道：天空中活跃着多少生命？它们能够生存在海拔多高的天空中？

在一个寒冷的秋天的早晨，克里斯特纳驾车行驶在路易斯安那州两车道的高速公路上，他和其他五辆车正在跟踪几分钟前放出的一个气象气球，它已经升到了1500米的空中，并且还在继续上升中。

气球的有效载荷为5.5千克，上面搭载着普拉瑟研制的装置和GPS发射应答器。在气球上升到3000米和9000米高空时，一扇小门打开，普拉瑟研制的“细菌猎手”装置开始收集飘浮在空中的细胞粒子，就像昆虫学家在地面上收集昆虫标本一样。在气球到达10600米高空后，“细菌猎手”装置随降落伞飘落下来，并按计划降落在研究人员容易找到的地方。有一次它降落在沼泽地里，有一次降落在稻田里，还有一次被缠绕在高高的长叶松树顶上。而这一次，科学家们在一片茂密的森林里找到了它。

克里斯特纳他们准备对气球收集到的细菌加以培养，以辨别它们的“身份”，然后再确认它们是否携带有冰核基因。克里斯特纳猜测，高空中存在着一个足以影响降雨的生物系统，只是我们目前对它的了解还太少。

科学家向空中发送气球的另一个用意是想知道生命能够存活在多高的高空中。2011年9月，克里斯特纳的团队在新墨西哥州上空将气球发送到了37100米以上的高空。摄像纪录显示，气球上升到的平流层已接近大气层与太空相接的边缘，即地球蓝色表面与漆黑一片星空的交界之处。

平流层中生存条件之严酷相当于火星表面，在那里，紫外线辐射水平是海平面高度的1000倍，足以将细胞的DNA破坏成片段，而大气压力只有海平面高度的0.5%，足以令细胞冻干萎缩为“干尸”。克里斯特纳将他在平流层中的研究看作是寻找外星生命的一种尝试。他说，“我们现在所做的，与将来在火星上收集样本带回地球没有很大的不同。”

回到实验室后，在对收集到的微生物进行DNA测序和确认“身份”之前，克里斯特纳先进行了培养皿观察，并发现了一些线索。在一个培养皿中，点缀着红色、橙色、粉红色和黄色的微生物群落。我们知道，有色类胡萝卜素是一种自然防晒霜，能中和紫外线造成的伤害。在另一个培养皿中，则是一片呈现出米色、黑色和白色的杂色斑驳的微生物群落，这表明这些细菌能够产生抗脱水孢子，帮助它们在高海拔的恶劣环境中生存下来。

对地球生态影响巨大的空中生命

在天空中寻找微生物生命，还有可能让我们重新认识已知的细菌种类。20世纪50年代，研究人员用辐射方式对肉类罐头进行杀菌处理。但当他们打开罐头时却惊讶地发现，肉食已经腐烂，究其原因是被一种如今称为耐辐射奇球菌的细菌的发酵作用导致的，这种细菌耐辐射能力极强，它们修复DNA链的速度几乎与辐射对DNA的破坏一样快。耐辐射奇球菌的耐辐射能力是人体细胞的5000多倍，但地球上并不存在如此高辐射水平的自然环境。那么，这些细菌究竟是在什么样的环境中进化出如此强大的抗辐射能力的呢？

科学家认为，耐辐射奇球菌的DNA修复酶能使细菌适应数千米高的高空生态系统，也能帮助它们在沙漠脱水环境中很好地生存下来，像戈壁大沙漠这类地方的风暴可以很容易地将耐辐射奇球菌带向世界各地。

空中微生物对生态的巨大影响力，使得人类活动与天气和气候之间的密切关系变得更加错综复杂。森林可以通过将细菌和其他有机成分释放到空中，形成局部降雨；沙漠里的灰尘和细菌飘到远处，在与湿润空气相遇碰撞后，甚至可促成千里之外的降雨。这就带来一个新的问题：森林砍伐和荒漠化会对地球气候和环境产生什么样的影响？

研究人员对沙漠沙尘的研究已持续了几十年，他们追踪着它们蜿蜒盘旋在世界各地的轨迹，试图了解其对环境的影响。现在看来，尘埃颗粒只不过是一种载体，隐藏在其中的细菌可能才是对我们星球的气候产生极大影响的掌控者。

每年以各种方式进入大气层中的细菌总计多达200万吨，更别说还有5500万吨的真菌孢子和难计其数的藻类，人们之前一直没有注意到它们的存在，但如今科学家们终于意识到，地球大气生态系统是一个生命多样化的系统，高空生态系统对明天的天气或明年的收成有着十分重要的影响。云中存在着一个完整的生态系统，我们对这个生态系统在很大程度上还不了解。

冰晶

冰晶是冰的晶体形式，因其原子排列方式的不同，通常呈六角柱状、六角板状、枝状晶体以及钻石沙等形状。大气中的冰晶一般都是由水蒸气直接凝结产生的，因此其形状极为对称。在不同的环境温度和湿度条件下，冰晶可从最基本的六角棱柱体发展成为各种各样的对称形状。冰晶可能形成的形状有柱状、针状、平板状和枝状。当冰晶移动到环境条件不同的地区时，冰晶的生长形状也随之发生变化，最终形成的晶体可能会是多种形态的混合体，例如冠状六角柱状晶体。

温度和水蒸气湿度决定冰晶的结晶形式，冰晶在大气中产生各种独特的光学现象。冰云是由冰晶组成的，其中最值得注意的是卷云和冰雾。湛蓝的天空中因冰晶出现而微微变白是天气变化的前锋（例如降雨）即将来临的前兆，因为在湿润的大气中更易形成冰晶。

人工降雨

人工降雨，也叫云种撒播，是人为影响和改变天气的一种形式，通过将某种化学物质发射到大气中，促使云层降水或增加降雨量。例如用飞机、火箭向云中播撒干冰、碘化银、盐粉等催化剂，增加云中的晶核数量，改变云中的温度，从而加速云滴凝结成冰晶。人工降雨的目的通常是增加降水（降雨或降雪），但机场为了保证飞机起飞和降落时的安全，也常以这种方法来抑制冰雹和多雾天气的产生。

人工降雨最常用的化学物质有碘化银和干冰（固体二氧化碳）。液体丙烷可蒸发为气体，在较高气温条件下，比碘化银更易产生冰晶，也常被应用于人工降雨。现在，盐等吸湿性物质也被应用于人工降雨。

目前，已有几十个国家实施了人工冰核化合物播云计划。而一些科学家则在尝试利用微生物进行人工降雨。

微生物人工降雨的设想

早在40前就有研究者提出，某些“制冰”微生物有可能在云中产生冰晶促成降雨。虽然目前仍不清楚大气中的微生物是否真的能够影响天气，但这并没能阻止一些乐观的科学家进行这方面的研究——将细菌作为一种工具来增加雨雪天气。事实上，这方面的需要十分紧迫。有科学家预计，受全球变暖影响，到2050年，地球上大约1/4的冰川将消失。

利用微生物人工降雨，这是一项庞大的计划。目前，有科学家正尝试利用丁香假单胞菌带来更多的降雨，而微生物学家已经确定了一些能够产生冰霜而又不会对植物形成危害的丁香假单胞菌菌株。若在大片土地上种植寄生有这类菌株的植物，这些微生物就可能升入空中，在云中形成冰晶，为农作物带来更多的降雨。

利用微生物人工降雨是否切实可行，目前还没有人知道。