雨水来自云层中的生命吗？

飞机剧烈颠簸，它冲破了乳白色的云层内部。商业飞行员会飞过加州内华达山脉上空这些云层的上方，但这架63英尺长的湾流-1似乎是在主动邀请湍流。上升气流抓住飞机并将其向上推，即使飞行员将其机头向下。在飞机后部，大气化学家金伯利·普拉瑟戴着耳机以减弱螺旋桨的轰鸣声。她用一只手扶住仪器架，稳定住自己，然后专注于笔记本电脑晃动的屏幕。云层的读数不断滚动。

这些数字告诉普拉瑟，这些冬季的云层寒冷而沉重，零下30华氏度，相对湿度刚超过100%。然而，尽管比水的冰点低62度，云滴却顽固地保持液态。只要它们不形成冰晶，这些云层就不会在内华达山脉13,000英尺的山峰上落下几片雪花。它们是典型的云层，只是吊人胃口，不会降下多少东西。

然而，飞行两小时后，情况发生了变化。另一位研究员的声音在普拉瑟的耳机中噼啪作响：“冰！”飞机进入了一个云层，突然间每个水滴都冻结了。普拉瑟的仪器——一堆金属管、电线和气密室，昵称雪莉——发出滴答声，它的激光逐一击碎了从外部空气中吸入的数百个微小云粒子。每个粒子的大小和成分在普拉瑟的显示器上闪烁。这些冰晶核心的微粒富含铝、铁、硅和钛，这些是来自亚洲甚至非洲遥远沙漠的尘埃的化学特征。冰晶中还有其他东西：碳、氮和磷，这些是生物细胞的标志性迹象。

天空中充满了看不见的生命。细菌、藻类和真菌被风吹起，升到波音747的高度——或者在雷暴期间被电场弹射到20英里高的平流层。普拉瑟是加州大学圣地亚哥分校49岁的教授，她和越来越多的科学家怀疑，这个大部分未被探索的微生物生态系统可能掌握着天气的一个巨大谜团的答案：云层为什么会在特定时间产生降水？

这似乎是一个非常基本的问题，但“我们真的不明白为什么有些云会下雨而另一些不会，”普拉瑟说。这个谜团的核心是冰形成的物理过程。一个纯净的云滴可以冷却到-40华氏度才会结冰，地球上的许多云层从未达到过如此低的温度。雨雪通常需要云层中漂浮的微小粒子来触发冰的形成，而且并非任何粒子都可以。一立方码的空气含有数十万个微观斑点，但只有大约百万分之一的粒子具有精确的分子几何结构，能够在其表面组织水分子以生成冰晶。没有那些罕见的冰形成触发器，地球上的大部分地区今天的降水会比现在少。

烟尘和灰尘长期以来被认为是这些百万分之一粒子最有可能的候选者。但是，发现某些细菌携带能形成冰的基因，以及意识到天空中充满了微生物生命，使得一些研究人员将目光投向空中生物学寻找答案。“构成冬季风暴的云滴中存在着不同类型的微生物生命，这令人惊叹，”怀俄明大学拉勒米分校的微生物学家和植物病理学家加里·弗朗克说。“云层中存在着一个很大程度上未被定义的完整生态系统。”

像弗朗克这样的科学家现在才开始编目可能漂浮在天空中的数千种微生物，其中许多几乎肯定是科学界的新物种，有些甚至可能能够在平流层高空生存，那里的条件大致与火星上的生命条件一样有利。普拉瑟的研究表明，来自亚洲和非洲的尘埃可能将形成冰的微生物带到全球各地。

总而言之，每年可能有高达200万吨的细菌进入大气层，更不用说5500万吨的真菌孢子和数量不明的藻类。它们被忽视了几十年，但科学家们最终认识到这个大气生态系统的多样性，以及——也许——它可能对明天的天气或明年的收成产生多大的影响。

云朵对我们来说感觉非常熟悉。我们将其理想化为漂浮在头顶的棉絮，诅咒它们破坏了野餐，或者只是将其视为理所当然。但云朵拥有内在的生命，以复杂、每秒都在变化的潮起潮落为标志。

山上的云可能看起来静止不动，但它更像河流中的驻波——一条大气河流。当潮湿的空气在像内华达山脉这样的山脉上空上升时，气温下降导致水蒸气凝结成水滴，形成云朵。每秒钟都有新的水滴在云中形成。但是，任何一个特定的水滴只存活大约一个小时，然后气流就会将其带到山脉的另一侧，导致它重新变暖、蒸发并消失。只有冰晶才能在短时间内快速生长，达到临界质量并落下。然而，冰不容易形成。

虽然冰块托盘里的水在32华氏度左右会凝固，但清洁空气中的纯液态水从未在那个温度下结冰。空气中冰的形成取决于水分子以非常特定的六边形模式连接在一起，类似于三维鸡笼。一旦足够的水分子组织成这种模式，冰晶就会迅速生长。水滴瞬间结冰。但是，首先要形成这种六边形图案的冰胚胎是困难的。在略低于32度时，需要超过10万个水分子连接在一起，冰晶才能足够稳定地自行生长。由于水分子不断地随着热能跳动，足够多的水分子偶然形成这种集体姿态的可能性极低，即使在更冷的温度下也是如此。

然而，某些粒子通过称为成核的过程促进了这一过程。微小的矿物晶体可以充当模板，促使水分子在其表面组织成冰晶的六边形晶格。有大量的微观垃圾可以让您后院水坑中的水（甚至您冰块托盘中的水）在略低于32度时结冰。但是，一个只比红细胞稍宽的云滴可能只含有一个这样的粒子。为了让这个粒子成核冰晶，它需要具有恰到好处的形状，并在恰当的位置发出微小的吸引和排斥原子力，这样H2O分子中的H和O才能以正确的六边形模式附着在粒子上。

零下30或35华氏度的云通常完全是液态的，因为它们不含任何高效的冰核化粒子。然而，科学家也观察到一些温度更高，甚至达到10华氏度的云，其中充满了冰，并倾泻而下雨或雪。这些云显然含有某种能在这些更高温度下高效核化冰的物质。

几十年来，科学家们一直无法确定那个神秘的粒子是什么。在20世纪60年代中期，蒙特利尔麦吉尔大学的匈牙利裔物理学博士生加博尔·瓦利将他大部分的清醒时间都投入到寻找它。瓦利花了几个月的时间收集了几加仑的雪和雨水。他把它们带到实验室，用注射器一滴一滴地挤到铝箔纸上，每张纸100滴。他以每分钟2华氏度的速度冷却纸张，每30秒拍一张照片。后来他将照片投射到墙上，观察每一滴水结冰的温度。

瓦利每天做10个实验，每周五六天，持续了好几年——“成千上万滴，”他说。每滴水结冰的温度都不同，取决于其中漂浮的微粒。有些水滴在23华氏度时结冰，但频率不足以解释冰晶在暖云中形成效率之高。瓦利漏掉了什么。

直到有一天，他突发奇想，从孩子们秋千下面抓了一把泥泞的雪。这是粗糙的科学：世界各地的研究人员已经在测试粉末状矿物形成冰的能力，但他们使用的是无菌纯净的矿物。瓦利这个快速而粗糙的实验却产生了意想不到的结果。

与他之前较干净的样本相比，泥泞的雪水滴在23度时结冰的频率要高得多。当瓦利在混合物中加入腐烂的树叶时，有些水滴在28度时结冰，这是他从未见过的最高温度。树叶的效力随着它们变褐而增加，这表明上面生长的某种东西导致了冰的形成。此时，瓦利已经完成了学业并搬到了怀俄明大学。在那里，1972年，一位名叫理查德·弗雷什的研究生成功识别出丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae），这是一种来自腐烂树叶的细菌，它正在触发冰的形成。

这一发现对农业产生了巨大影响。全球每年数十亿美元的农作物受到霜冻损害。史蒂文·林道是威斯康星大学的博士生，他在瓦利和弗雷什发现的同时独立发现了丁香假单胞菌的冰核化能力，他发现霜冻损害并非仅由温度引起；丁香假单胞菌实际上利用冰晶作为撬棍撕裂植物细胞并获取营养。为了防止这种情况，一些果树和蔬菜种植者现在在霜冻前定期对作物施用杀菌剂。

在20世纪80年代，林道进一步成功分离出了使丁香假单胞菌形成冰的基因。该基因编码的蛋白质以恰当的排列方式在细菌表面铺展开来，从而将水分子拉入其六边形晶体结构。此后，又发现了另外四种能在极高温度下核化冰的细菌。尽管它们并非都有亲缘关系，但它们都拥有相同的冰核化基因。

尽管农业科学家已经认识到生物冰核化的重要性，但大气科学家仍未接受，他们坚持传统的观点，认为烟尘、海盐或尘埃中某种尚未确定的矿物在云层中播撒冰。当时，人们对大气中微生物的数量和多样性并没有真正的认识。瓦利曾尝试从大气层最低的几百英尺处收集形成冰的细胞，但一无所获。而且没有人系统地在高空数千英尺处寻找，而那里正是云层实际形成的地方。人们怀疑是否有足够的细胞能上升到大气高层以形成雨雪。

“这个领域崩溃了，”蒙大拿州立大学博兹曼分校的细菌学家大卫·桑兹说，他从20世纪60年代开始研究丁香假单胞菌。“从事这项研究的人再也拿不到资助了。”瓦利将重点重新转向云物理学。桑兹继续研究丁香假单胞菌，但专注于作物病害，在那里他仍然可以获得资金。对于大多数大气科学家来说，微小的漂浮生物量影响世界天气这个想法太奇怪了。

2005年，桑兹认为时机已成熟，可以重启这项调查，找出细菌是否真的能操纵天气。过去二十年里，基因技术取得了长足进步，因此即使是在一个云层中可能存在的数千种微生物中，也有可能识别出少数像丁香假单胞菌这样的冰核化因子。桑兹联系了布伦特·克里斯特纳，一位蒙大拿州立大学的博士后，他曾在寻找10万年前南极冰层中生命痕迹方面崭露头角，并邀请他将寻找生命的范围扩大到云层。

现任路易斯安那州立大学教授的克里斯特纳，从一个简单的实验开始。他从世界各地的山上收集雪，重复了瓦利的冷冻滴实验，以寻找能产生冰的隐形颗粒。一旦克里斯特纳发现水滴在20华氏度以上结冰，他就用一种能杀死细菌但不影响其他颗粒的酶处理它们。当他再次冷却这些水滴时，多达85%的水滴不再结冰（pdf）。

这是细菌帮助水结冰的间接但诱人的证据。但它留下了一个悬而未决的问题：是空气中的微生物在云中形成冰，还是它们仅仅在雪花落到地面时被吸收了？唯一能找出答案的方法是飞入云中，实时观察发生了什么。

普拉瑟在2007年末，也就是克里斯特纳完成实验但尚未发表之前，无意中回答了这个问题。普拉瑟花了15年时间开发出一种设备，可以在几千分之一秒内吸入空气中的微观粒子并分析其化学成分。她打算用这个设备研究空气污染。但那年，她与科罗拉多州立大学的云物理学家保罗·德莫特合作，看看他们是否能用这台机器识别云中形成冰的粒子。

普拉瑟和德莫特对怀俄明州、科罗拉多州和蒙大拿州山脉上空高达25,000英尺的云层进行了十几次飞行。结果令研究人员措手不及。他们在液滴中看到了预期的烟尘、海盐和大量的当地尘埃，但这些东西很少与冰相关。不，云层中的冰状区域含有其他物质：50%的颗粒是来自亚洲或可能来自非洲沙漠的高钛尘埃，另外30%似乎基于其碳、氮和磷含量是生物性的。

在此之前，没有人见过雨云中的生命。“我们并非有意寻找细菌，”她说。但此后，她在两次云采样活动中也看到了类似的结果。2011年初在内华达山脉的飞行发现，大多数冰晶都含有来自其他大陆沙漠的尘埃，以及似乎是细菌的物质。2011年7月，当普拉瑟和德莫特在加勒比海圣克鲁瓦岛上空采样云层时，他们再次在冰中看到了尘埃和细胞的迹象。尘埃本身似乎来自北非。

德莫特积累了从这些飞行中收集的10万个冰形成粒子的库。他才刚刚开始识别它们，但在电子显微镜图像中，他发现其中一些类似于细菌。弗朗克计划很快开始测试它们，寻找参与冰核化的DNA序列。

尽管有这些结果，一些研究人员仍然对微生物对云形成的重要性持怀疑态度。德国卡尔斯鲁厄理工学院的云物理学家科琳娜·胡斯认为，克里斯特纳在雪中发现的冰形成细胞数量太少，不足以产生太大影响。她估计空气中的微生物对所有云冰的贡献不到1%。“灰尘和烟尘颗粒要丰富得多，”她说，“它们比生物颗粒重要得多。”

这是几十年来一直占据主导地位的观点，而主导观点并非轻易消亡。但是普拉瑟、克里斯特纳和桑兹正在逐渐削弱它。实验室研究尚未发现一种常见的矿物能像丁香假单胞菌等细菌那样有效地触发结冰。“这些生物，”克里斯特纳说，“能够在比任何其他天然存在的粒子更温暖的温度下催化冰的形成。”

普拉瑟可能低估了她样本中形成冰的生物颗粒的丰度。尽管她在云层结冰区域看到了很多尘埃，但其中60%的尘埃颗粒也含有碳、氮和磷，这表明它们不仅仅是矿物质。它们内部可能潜藏着细胞——或者至少是死细胞的残骸附着在其表面。这是一个普拉瑟最近经常和同事们讨论的问题。“我认为不是尘埃本身”形成了冰，她现在说，“我认为是生物。”

当普拉瑟和其他人探索空气传播细菌对环境的影响时，克里斯特纳正试图从整体上理解这个神秘的高海拔生态系统。在他位于路易斯安那州立大学的基地附近，他正着手了解天空中到底有多少生命，以及它们生活在多高的地方。

在一个寒冷的秋日早晨，克里斯特纳驾驶他的皮卡车驶过路易斯安那州中部的一条两车道高速公路，飞驰过松树林、沼泽和他的卡车导航系统上没有显示的土路。“我不知道我们到底要去哪儿，”他承认。

克里斯特纳的行动受制于高空数千英尺处不断变化的风。他和另外五辆车正在跟踪几分钟前发射的一个气象气球。“它在5000英尺高空，还在上升——我们比它在路上领先大约两英里，”无线电里传来一个声音。

气球12磅的载荷，包括一个GPS应答器，由脆弱的绳子和泡沫塑料捆绑在一起——根据联邦航空局的规定，它被设计成如果遇到客机的涡轮机就会解体。在10,000到30,000英尺之间，一个舱门将会弹开。该装置将像克里斯特纳卡车的前格栅收集昆虫一样，用一层粘稠的油脂收集漂浮的细胞。在35,000英尺高空，细菌捕捉器将切断绳子，用降落伞漂落下来，希望能落在可以找到的地方。

该装置之前曾降落在沼泽和稻田里，并缠绕在60英尺高的长叶松上。今天，科学家们在一个茂密的森林里找到了它，在两只鹿头骨装饰的锁门后面七分之二英里处，鹿头骨的额头上插着金属桩。

克里斯特纳的博士生诺埃尔·布莱恩将培养气球收集到的细菌，以识别它们。之后，她会检查它们是否携带冰核化基因。“我的猜测是，”克里斯特纳说，“可能有很多具有这种能力的生物，我们只是还没有识别出来。”

平流层的条件与火星表面相似。破坏性紫外线辐射水平是海平面的1000倍，威胁着将细胞的DNA切割成俳句长度的片段。大气压只有海平面的0.5%，威胁着将细胞萎缩成冻干的尸体。克里斯特纳将他在平流层的研究视为在其他星球寻找生命的试验。“我们正在做的，”他说，“与未来我们向火星派遣任务以获取样本并带回地球的情况没有太大不同。”

分析克里斯特纳团队在那次122,000英尺高空飞行中收集到的任何东西（如果有的话）将需要数月时间。但他们从早期发射到较低大气层的任务中已经获得了有希望的结果。

回到实验室，克里斯特纳和布莱恩检查了二十多份培养皿，其中含有从1万到8万英尺高空飞行中收集的细菌。他们尚未对微生物的DNA进行测序和鉴定，但仅仅观察培养皿就给出了一些线索。许多培养皿上点缀着鲜艳的菌落——红色、橙色、粉色和黄色。“那些是天然的防晒霜，”克里斯特纳说。有色类胡萝卜素色素（类似于许多植物中的色素，包括以这些化合物命名的胡萝卜）可以中和有害的紫外线。

克里斯特纳举起一个培养皿，里面布满了米色、黑色和白色的菌落：这表明这些细菌产生抗脱水的孢子，可以帮助它们在极端海拔生存。它们可能属于某种放线菌（一种生活在土壤中的细菌，包括制造链霉素和其他抗生素的种类），但该物种可能是科学界的新发现。“我们不知道，”克里斯特纳看着一个斑点说，“那可能制造出一种从未见过的抗生素。”

在天空中寻找高空微生物也可能为我们已经了解的一些物种提供见解。在20世纪50年代，美国军方资助的研究人员试图通过辐射罐装肉来对其进行消毒。当他们打开罐头时，惊讶地发现肉已经腐烂了：它被一种细菌发酵了，现在被称为抗辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans），它对辐射异常抵抗。该物种拥有一套强大的酶，能够以辐射分裂DNA链的速度迅速将其重新连接起来。抗辐射奇球菌可以承受比人类细胞高5000倍的辐射，但地球上没有任何自然环境接近这种辐射水平。“那么，这种生物进化出这种耐受性是为了什么？”克里斯特纳问道。

约翰·巴蒂斯塔在路易斯安那州立大学，就在克里斯特纳楼上研究这种微生物，他认为抗辐射奇球菌的DNA修复酶主要帮助它在原生的沙漠环境中抵抗脱水。但辐射耐受性也可能使这种细菌加入到10英里高的生态系统中。戈壁沙漠等地的风暴可以轻易卷起抗辐射奇球菌，并将其传播到世界各地。“如果它成功进入上层大气，”巴蒂斯塔说，“它就具备了生存所需的一切工具。”抗辐射奇球菌和其他类似耐寒的微生物可能潜伏在克里斯特纳团队正在培养的样本中。

就像使抗辐射奇球菌在地面上繁衍的基因也可能赋予它在高海拔生存的能力一样，冰核化基因最初可能赋予丁香假单胞菌及其类似细菌除了造雨之外的优势。核化基因似乎与迄今为止从各种生物中测序的一百多万个基因中的任何一个都没有关联。而且该基因似乎在进化过程中只出现过一次；之后，它从一个物种传给另一个物种，沿途几乎没有变化。没有人知道该基因是多久以前出现的，但它的出现可能标志着地球历史上的一个关键时刻。它可能为生命改变地球环境提供了一种新的方式。

冰核化可能是一种细菌与其所居住的植物之间的生态“握手”。许多野生植物（与大多数栽培作物不同）具有耐霜冻性。它们只要缓慢结冰就能存活下来，这给了植物激活防御机制的时间。通过使霜冻在更高的温度下形成——比如在25华氏度而不是15华氏度——冰核化细菌会使结冰发生得更慢，从而有助于保护它们所居住的植物。

后来，形成冰的能力可能找到了其他用途。丁香假单胞菌利用冰晶撕裂不耐霜冻植物的细胞，以便吞噬其营养。像丁香假单胞菌这样的微生物也可能利用冰核化来通过雨滴或雪花降落，确保它们在被风暴卷起时不会滞留在高空。

冰核化细菌甚至可能影响整个景观。桑兹说，通过引发降雨，“它们会促使更多植物生长。”就像人类种植小麦一样，丁香假单胞菌可能会培育出能够维持细菌生存的叶状生态系统，一旦它们到达地面。这些生态系统随后会产生更多的细菌，其中一些会回到天空。

认识到细菌可能产生如此深远的影响，这为人类活动、天气和气候之间本已错综复杂的关系增添了新的变数。森林可能通过向低层大气释放细菌和其他有机化合物来制造自己的局部降雨。沙漠可能在它们的尘埃和细菌与富含水汽的空气团碰撞时，引发数千英里外的降水。那么，森林砍伐或荒漠化会产生什么影响呢？

研究人员几十年来一直在研究沙漠尘埃，追踪其在全球的蜿蜒轨迹，并试图了解其对环境的影响。现在看来，尘埃可能一直是个诱饵，隐藏着可能是我们地球大部分天气真正主宰者的细菌。“当我审视云层中物理形成冰的物质时，我会说其中80%带有某种生物特征，”普拉瑟说。“尘埃本身并不能解释这一切。”

微生物造雨者

四十年前，科学家发现丁香假单胞菌能引发植物上的霜冻形成。从那时起，一些研究人员提出这种能制造冰的细菌以及其他类似细菌可能在云中制造冰晶，从而导致降水。目前尚不清楚空气中的微生物是否真的影响天气，但这并未阻止一些乐观的科学家研究这些细菌作为增加雨雪的工具。

利用细菌造雨可能是一项大生意。几十个州和国家运行着使用人工冰核化化合物的云播种计划。在加州，这项工作尤其紧迫。内华达山脉的积雪提供了该州约65%的水源，自1950年以来一直在减少，预计到2050年将有四分之一的积雪消失。

蒙大拿州立大学细菌学家大卫·桑兹设想使用丁香假单胞菌为加州等地带来更多降雨。“我是一名农学家，”他说，“我不喜欢干旱。”微生物学家已经确定了能形成霜冻而不损害宿主的丁香假单胞菌菌株。将这些菌株种植在大片土地上的植物中是可能的。然后这些微生物可能会进入空气，在头顶的云中形成冰晶，并从中带来更多降雨。

没有人知道这是否可行。云必须在湿度和温度最适合冰形成的时候被击中。而且需要种植的土地面积也可能大得令人望而却步。但桑兹正在努力推进，与叙利亚和其他国家的研究人员合作，寻找能够优先携带正确丁香假单胞菌菌株的小麦和大麦品种。“我们或许能够引进带有细菌的新品种种子，”他说，“我们或许能够在某些地区增加10%、20%、30%的降雨量。”

道格拉斯·福克斯是一位居住在加利福尼亚的自由科学作家。他的作品曾发表在《美国最佳科学与自然写作》中。