翻云覆雨的微生物

水是生命之源，“久旱逢甘露”甚至被人們視作人生“四大幸事”之一。但是大自然要把送上云層的水再收回地面并不是一件容易的事。在過去，很多文化中通過舞蹈、獻祭來向上蒼求雨。可見人力在自然氣候的面前常常被動、無力。但是，如果明白了雨是怎么從天而降的，或許我們就可以在求雨這件事上獲得一定的主動權。

下雨的奧秘

天上飄搖的一朵朵云彩，既熟悉又神秘。空中的水蒸氣凝結成為小的水滴或冰晶，聚集在一起就形成了這些看上去綿軟飄忽的云朵。在這一過程中，空氣中一種懸浮的微粒——氣溶膠加速了云的形成。氣溶膠微粒給了水分子以依靠，水分子熱切地聚集在這些氣溶膠之上。可是，為什么同樣是云，有些時候降下的是傾盆大雨，有些時候卻一滴也落不下來呢？

歸根到底，這取決于冰的形成。當云中的小液滴凝聚得比較大，大到足夠克服大氣上升氣流的“托力”，這時云就會產生雨或者雪。多數時候，下降的過程中，水滴會放熱結冰，而這些冰晶增長的速度比液滴要快得多，也就意味著它們會更快達到可以下降的重量，而不會作為水蒸氣蒸發消失掉。雖然聽起來可能有點奇怪，可是大氣中純水可以在-40℃的溫度下仍舊以液態形式存在，所以云中的水滴想要變成冰晶還得借助外力。

這種幫助往往會以“冰核”的形式出現。空氣中的固體顆粒物為周圍的水分子提供了一個聚集的核心，水分子圍繞著這一核心排列成冰晶體的晶格結構。天空中蘊含著豐富的“冰核”顆粒物，來自海洋的鹽和從沙漠風中飄散的礦物粉塵都可以充當這樣的“冰核”。但是這些顆粒在溫度高于-15℃的時候也沒辦法讓水滴結晶，而半數從陸地形成的云內部溫度都高于這個值，所以一定有別的一些物質在幫助這些云完成降水。

“冰核”里的微生物

這些“制冰者”謎一般的身份讓美國植物病理學家戴維·桑茲十分好奇。上世紀70年代，桑茲在研究植物疾病時，收集了云層之上的空氣樣本。通過這次采樣，他不僅明白了麥田疫病的由來，還發現了下雨的奧秘——下雨是因為云端的微生物引起的。

桑茲在云層之上的空氣樣本中發現了一種叫做丁香假單胞菌的葉棲細菌。這種細菌能夠在相對溫暖的條件下使水結冰，成為促使水滴結冰的催化劑。這也許和它進入植物組織的方式有點關系：在溫度較高的時候，細菌能夠激發蛋白質“造冰”，尖銳的冰晶穿透植物的葉子，撕開細胞，這樣這些細菌就可以從中取食養分。桑茲猜想，隨水汽飄上云端的丁香假單胞菌催生了云端的雨水。

可是，當時許多大氣科學家對桑茲這種猜想并不認同，他們都更關注粉塵和煙塵的作用，不愿意去聽一個植物病理學家“班門弄斧”。

聰明的循環旅途

隨著時間的推移，云層“冰核”中藏有丁香假單胞菌的證據越來越多，這使得更多的科學家參與到研究中來。科學家們開始思考，丁香假單胞菌為什么要飄上云端幫助水分子催化結冰呢？這對于這些微生物來說有什么意義？

確實，這其中的意義深遠。葉棲微生物漂浮在大氣中，它們成為冰晶的種子，幫助云層成功造雨，這樣一來就能夠隨著雨滴回歸大地，確保自己的生命能夠得到擴散。用雨水將寄主植物打濕，重新回到自己最喜歡的葉子上，這是不是也是一種頗具智慧的循環旅程呢？大氣就像一個巨大的高速公路系統，這些微生物冰核通過參與冰晶形成，參與降水活動，在循環系統中高速馳騁，通過這種方式開疆拓土。這是它們從一片葉子走到另一片葉子的必經旅途。

丁香假單胞菌在較高溫度下讓水快速結冰，放在云層里就成了雨水的催化劑，而它們隨著雨水落下，這種能力又能讓它們通過冰晶撕開寄主植物，進入新的家園。它們可能在用這樣的方式運送自己，前往一個新的食物“牧場”，在新的領地上饕餮而食，大快朵頤。

寄主植物在這一活動中也發揮了一定作用，它為這些乘雨而歸的細菌提供了一個舒適的生存環境。同時，這些雨水也成為滋潤這些植物的瓊汁玉液，促進植物自身的成長。這種互惠互利的生物合作非常有趣。

更多參與降雨的細菌

天空中實際上充滿了微生物，從云層中收集的數據顯示，某些特殊的細菌確實掌握著云層降水的重要開關。甚至還有跡象顯示，歷史上一些最嚴重的干旱天氣與這些細菌也有很大關聯——由于人類破壞了細菌與植物之間的微妙平衡，才造成持續的干旱。如果我們能夠弄明白這些微生物在濃云之中究竟扮演了怎樣的角色，或許就可以更好地預測天氣，甚至還可以利用這些微生物來實現“呼風喚雨”，為那些焦渴的土地降下甘霖。

除了丁香假單胞菌之外，還有許多其他種類的微生物也經常來到高空，對云層的降水有著重要的影響。美國佐治亞理工學院的一個研究小組曾在1萬米高空的空氣樣本里發現了314種細菌，其中大多數細菌是活著的。而其他科學家小組通過對高空的云層冰晶進行采樣，分析這些晶體冰核的化學成分，發現降雨最多的云中大約40%的冰核微粒都是生物微粒。種種證據表明，微生物在溫度較高的云朵的成冰過程中確實發揮著重要的作用，就像是成冰的種子。在某些特殊年份以及某些特殊條件下，這些空氣中富集的微生物確實能夠對降水產生顯著的影響。

利用微生物來影響降水

微生物影響到降水，這意味著人類的農業活動也會在不知不覺中嚴重干擾天氣循環。當農民種下一種作物的時候，他們也不可避免地連同作物上攜帶的細菌一同養育。通過大氣循環，這些密集種植的作物很有可能造成空中冰核的大量富集，最后產生災難性的后果。以20世紀初美國中西部的小麥帶發展為例，當時種植的植物特別容易受病原真菌影響，感染小麥銹病，可是這種病原真菌恰巧也有冰核的作用。專家推測，當時小麥銹病的流行可能是造成20世紀30年代北美大草原沙塵暴天氣的元兇。隨著犁地這一農業過程，數百萬的小麥銹病孢子會釋放到空氣中去，在天空中形成太多冰核，相互爭奪水分。結果每一個冰核都難以成長到足以形成降水那么大，所以才產生當時持續了較長時間的干旱氣候——太多的冰核，造成了云朵的“便秘”。

當然，一旦我們認識到了微生物在降水中的作用，我們也可以利用微生物來調控天氣。我們可以有選擇的培育某些植物，讓成冰微生物能有一個適宜的環境生長發展，通過這種方式能夠幫助區域環境形成降水。

各國科學家通過相互合作，分析了25種類型的小麥，找到了一種特殊的小麥，它不會受到丁香假單胞菌菌株影響。研究人員種植了這種非致病性的小麥品種，發現確實能夠增加區域降水量。最終，種子公司可能會推廣這種小麥品種，農戶可以通過向這種小麥上噴灑丁香假單胞菌菌株來改善當地干旱情況。

本文源自大科技*科學之謎2016年第9期雜志文章、歡迎廣大讀者關注我們大科技的微信號：hdkj1997