文 / 孫欣
全文刊登於《新知》2016年9月刊，總第17期
當你我望向晴朗的天空時，會看到昆蟲和鳥兒，想到它們代表著生物界，宣示生命這種特殊的能量組織形式佔領了地表以上相當廣大的一部分空間。斑頭雁可以飛到海拔8000米之上。人類憑藉火箭之力，更可以衝出大氣層。我們祖先曾相信的神話如今都被證明是虛妄的：白雲之中沒有仙人來來往往。但是沒有仙人並不表示天空中沒有神奇的生命。地球上存在生命的空間，上至高空，下至深海，人類和高等動物在其中只佔了薄薄的一層，其他大部分空間其實都由微生物佔據著。
科學家早就發現近地面的空氣中飄浮著許多微生物。它們附著在灰塵上，花粉上，一切體積微小易於隨風傳播的物質上。一個人打噴嚏，便能以300公裡/ 小時的速度噴出許多直徑為10微米－100微米的飛沫，挾帶著與人共生甚至可能致病的細菌和病毒。這些飛沫迅速風乾，縮小到直徑1微米－4微米，懸浮在空氣中。致病細菌和病毒若有機會在死亡以前被新的宿主攝入體內，就會傳播疾病。攜帶著微生物的細微顆粒在空氣中已經達到懸浮狀態，不會因為重力墜地。若是遇到合適的條件，就能向高空飄移。微生物向高空進軍，前線在哪裡呢？
生活在天空中的細菌看似離我們很遙遠，其實它們與人類的關係比我們想像的要近得多。有研究發現天空中的細菌在「行雲降雨」的過程中扮演著極為重要的角色。細菌的直徑約在0.1微米－3微米之間，足以令高空的水蒸汽在這樣微小的顆粒周圍凝結起來形成雲。這些微粒被稱為「凝集核」。微生物是凝集核的主要來源之一。某些種類的細菌外膜上有一種名為「inaZ」的蛋白質，它原本的功能是破壞植物的葉片，幫助細菌侵入植物。在高空中，這種蛋白質令細菌成為效率很高的凝集核。雲可以反射阻擋和反射太陽光，濃厚的雲會產生降雨，從而改變地面的生態。因此弄清楚天空中有什麼樣的細菌對人類來說有很重要的意義。
收集高空細菌的首要困難就是高空不是容易達到的採樣點。從前的研究主要靠在高山上收集空氣中的細菌，受陸地局限很大。另外，微生物由於個體太小，不要說肉眼，用顯微鏡也常常難以觀測到。即使觀測到個體，也無法準確得知它們的分類知識。微生物繁殖得極快，對一群微生物進行培養，常常會變成選擇其中最適合培養條件的那些種類。原先的微生物構成無法復原。一些生活在極端條件下的微生物（深海、高溫、高壓、缺氧、高空）在普通環境下根本無法培養。這一難題近年來被日趨強大的DNA 擴增和深度測序技術逐步解決。科學家可以直接將樣品中細菌基因組的標誌性片段核糖體RNA 擴增並測序，從而在不需要培養的條件下分辨出樣品中的各種細菌，精確到屬。
2012年，為了探索高空微生物的種類和數量，美國NASA的科學家用飛機在加州海岸跨大陸飛行，在墨西哥灣、加勒比海和大西洋上空分別收集了空氣中微生物的樣品，並與喬治亞理工學院的環境微生物學家康斯坦丁尼迪斯(Kostas T.Konstantinidis) 合作進行分析。用擴增DNA 的檢驗方法，他們發現這一高度的空氣每立方米含有5000個左右的細菌和700個左右的真菌。在顯微鏡下給染色的活動狀態的細菌計數，卻可以得到每立方米細菌數高達15萬個的結論。二者之間的差別可能由幾種原因造成：DNA擴增中使用的引物不匹配，使某類細菌被遺漏；一些處於生活狀態的細菌孢子由於壁特別厚，DNA無法用一般的方法提取得到；用核糖體RNA的拷貝數來估算細菌總數的方法有誤差。雖然顯微鏡計數可能提供更準確的活菌數信息，DNA擴增的方法卻可以讓科學家得知這些細菌的「身份」——它們屬於哪個門類，來自高山、海洋、平原還是淡水，靠代謝哪種營養物在高空生存。
NASA的科學家們未曾預料到的是：高空微生物的數量在颶風過後會增加很多，而且種類構成發生巨大改變。這說明強烈的大氣流動是高空細菌的一個主要來源。每次颶風過後天空中細菌的構成變化都不同，說明颶風改變高空細菌構成與颶風本身的性質和位置密切相關。颶風掃過人類密集居住的區域，就會將人類生活中的細菌帶進對流層的高處。2010年的兩個大颶風「厄爾」(Earl) 和「卡爾」（Karl）過後，10千米的高空處出現了大量的大腸桿菌和鏈球菌。這兩種平時存在於人類和動物腸道中的細菌進入10千米的高空，完全是借颶風之力。
限制微生物向高空進發的一大因素是營養條件。附著在動植物上的微生物在條件合適時可以散布在空氣中，但是這些微生物歸根結底還是要靠地面或接近地面的生態環境存活。離開了營養源，微生物會很快「餓死」。高空中強烈的紫外線也要求細菌基因組的修復能力特別強大或是容錯率特別高，否則遺傳物質的複製無法完成，微生物不能繁衍。此外，高空乾燥寒冷，空氣稀薄，存在各種活躍的氧化物，這些都決定著高空細菌有著不同地面細菌的代謝和生存方式。NASA收集到的所有高空樣品中，都有來自甲基桿菌科和草酸菌科的細菌，這兩種細菌都可以代謝草酸。草酸是大氣中含量最豐富的二碳酸，也是雲中的化學產物之一。雖然高空細菌是否以草酸為主要能量來源尚需後續實驗和數據證明，但是NASA收集得來的數據表明高空微生物有一個「核心」菌群，它們能適應高空的不利環境，在那裡成功地生存繁衍。在核心菌群以外，微生物的種類和數量隨著環境和氣候的變化而不斷變化，說明高空的複雜多變與彼處生態密切相關。至於高空中變化的微生物如何影響它們周遭的環境，比如幫助或阻礙雲的形成、反射及過濾陽光，則需要更多的實驗才能探明真相。
天空中的細菌來自何方？ 通過比較基因組，NASA的科學家發現他們在高空得到的微生物主要來自海洋而非陸地上。颶風過後，許多來自淡水和土壤的細菌也被送到了10千米的高空。因此微生物在大氣層中遠距離傳播是可能的，颶風這樣級別的大氣運動可以改變空中甚至地面上微生物的地理分布。2011年，另一位NASA的科學家史密斯（David J.Smith）在美國俄勒岡州的一座休眠火山的山頂收集了微生物帶回實驗室分析，在其中發現了僅存在於日本海岸的微生物。
天空中尤其是變幻的雲朵中生存著大量的微生物。它們可能來自南極，來自喜馬拉雅；它們可能影響到你計劃了很久的戶外長跑或花園燒烤。知道了這些以後，你對藍天白雲會有什麼新的看法嗎？（圖片來自網絡）