冰上的生态系统工程师

约瑟夫·库克（Joseph Cook）前往冰原，研究火星上的极地冰盖，但他却在地球上发现了几乎同样超凡脱俗的东西。库克攻读冰川学硕士期间，他的计划是研究冰川上的洼地，以此来了解火星冰层中神秘的瑞士奶酪坑。然而，他说，当他从2009年开始探索这些洞穴时，“我被迷住了。”

不难理解库克的着迷之处。每一个洞穴都是一个独立的小世界，一个生态系统，孕育着包括缓步动物（又称水熊）和其他小型生物在内的各种生命形式。这些充满水的凹陷是由于细菌斑点尘埃的黑色颗粒聚集在冰川或冰盖上，吸收太阳热量而形成的。这些颗粒被称为冰尘，它们开始融化冰，形成直径1至50厘米的圆柱形井。颗粒沉淀在底部形成一层冰尘沉积物。

冰尘洞遍布世界各地的冰川，从南极洲到格陵兰岛再到喜马拉雅山。但气候变化威胁着许多冰块，随着它们的融化，它们孕育的独特凹陷也随之消失——就在科学家们开始了解它们的时候。而冰尘生物本身可能也在加速这一过程。“它们很可能就是自己灭亡的催化剂，”英国谢菲尔德大学的库克说。

在冰川消失之前，库克和其他科学家们正致力于弄清楚这些微观生态系统是如何运作的——以及它们在冰川融化中的作用。

冰上的绿洲

冰尘是在19世纪末被发现的，当时极地探险家们在冰原上艰难跋涉时注意到了这些黑色颗粒。他们意识到，这些尘埃正在融化冰川形成洞穴。但又过了一个世纪，科学家们才开始了解冰尘的成分以及冰尘洞内生活着什么。

20世纪90年代中期，野村武（Nozomu Takeuchi）开始研究冰尘的组成。他剖开了加拿大北极地区的一些颗粒，并将它们放在显微镜下观察。现在的日本千叶大学的野村武看到，每个冰尘颗粒的核心是由矿物质碎片、各种细菌以及细菌产生的有机物质组成的。颗粒的外壳是蓝藻的活性层，这是一种通过光合作用供能的细菌。它们的丝状结构将所有物质紧密地固定成一个紧密的球体。“实际上它非常漂亮，”野村武说。

在野村武研究的基础上，科学家们意识到，这些颗粒是在空气中的矿物颗粒与其他碎屑一起被蓝藻的粘性触手捕获时形成的。

野村武想知道这些奇特的矿物质和生命混合物的年龄。他注意到，每年夏天，生长的蓝藻似乎都会在颗粒上形成新的一层。然后，这些层就可以被解读，揭示冰尘的年龄，就像树木年轮一样。在研究一个中国冰川的年轮时，野村武发现，大多数颗粒的年龄在3至7年之间，而有些颗粒可能只能存活一两年。

当野村武研究这些颗粒时，其他科学家们逐渐了解了它们是如何形成自己的生态系统的。他们发现，尽管这些冰尘球体内的生物体型很小，但它们并不是被动地居住在冰上的。当冰尘颗粒在冰川上挖出融化洞时，它们就创造了一个新的环境：一个供它们和其他生物居住的栖息地。“我认为它们是生态系统工程师，”库克说。

波兰波兹南亚当·密茨凯维奇大学的生物学家克日什托夫·扎维鲁哈（Krzysztof Zawierucha）是研究融化洞内食物网的科学家之一。除了缠绕在颗粒中的微生物外，他们还发现，这些水汪汪的绿洲还孕育着其他细菌、藻类、真菌、称为原生动物的单细胞动物，甚至包括昆虫幼虫、蠕虫和各种缓步动物在内的微型无脊椎动物。

这些物种非常适应这种寒冷、短暂的环境。它们特殊的适应能力，包括一些细菌产生的抗冻蛋白，可能在医学领域具有应用前景，例如保存血液和器官。而这些生物在极端环境中生存的能力，可以教会我们未来可能在宇宙其他地方发现的生命类型。“我梦想着研究这些微型动物的抗冻策略，”扎维鲁哈说。

由于每孔中都有大量不同种类的细菌（一百种），一些研究人员正在利用DNA和RNA分析来对其进行分类。但他们难以在实验室中培育这些娇贵的微生物，这样就无法更轻松地了解它们的生态系统功能。随着冰川的消失，他们研究这些生物的时间可能不多了。

变化的平衡

冰尘洞底部的生活是黑暗的。每个颗粒内部的巧克力色细菌产生黑色或深褐色的有机物，而冰尘洞中一些较大的动物，如黑色的缓步动物，也是黑色的。这些色素可以防止太阳辐射的有害影响，但正如库克发现的那样，它们也赋予了冰尘颗粒强大的融冰能力。

在斯瓦尔巴群岛的冰川上，他向现有的洞穴中添加了额外的冰尘沉积物，以观察会发生什么。他发现，颗粒会尽可能地散开，形成一层薄薄的覆盖物。黑色的冰尘层和洞穴中的生物会吸收阳光，使周围的壁升温，从而融化出更宽的洞。“真正令人惊叹的是，一个冰尘洞的形状会发生改变，”他说。

库克在2010年的一项研究中发现，这种栖息地扩张带来的好处有很多。随着颗粒更广泛地分布，颗粒的表面积有更多部分暴露在阳光下，而额外的融水使得冰川能够容纳更多的生命。

然而，随着人类引起的气候变化的到来，这个古老的循环现在有了一个黑暗的一面。允许冰尘生物繁盛的机制，可能正在加剧全球变暖的威胁，并帮助摧毁它们自己的家园。此外，正如研究冰川生态学的谢菲尔德大学的安迪·霍德森（Andy Hodson）所说，冰川融化释放出的灰尘可以形成新的冰尘颗粒。

但是，灰尘很小，而冰川很大。从整体来看，所有这些颗粒活动能有多大的问题？

据库克介绍，冰尘的变黑效应在全球范围内可能非常显著。他和他的同事们还在研究冰川生命如何影响地球的碳循环。在大型、稳定的冰川上，库克说，冰尘洞似乎会捕获碳——洞中的光合作用生物会将大气中的碳大量消耗。但在不太稳定的冰盖上，当冰尘没有时间沉淀成薄层时，其二氧化碳的消耗量可能被其他微生物释放的温室气体所抵消。移动和融化的冰可能会向大气中排放比它吸收更多的碳。

总的来说，库克说，冰尘很可能正在放大气候变化的影响。这在格陵兰岛已经很明显了。野村武说，在过去几年里，占地球冰量10%的格陵兰冰盖变得明显变黑变尘。曾经干净的白冰现在被冰尘覆盖。以前只在洞里才能找到，但现在却散布在冰的表面。科学家们正在试图弄清楚是什么导致了这种变化，但野村武说，“某种平衡正在改变”似乎是显而易见的。

对库克来说，这些复杂而脆弱的生命口袋已经远远超出了外星般的奇观。

“这在生态学上是非常重要的，”他说。“这不仅仅是无害的、温和的泥土。”

这篇文章最初以“薄冰之上”为题刊登在印刷版上。