世界上最古老的冰使科学升温

当大多数人打开冰柜时，他们可能会拿一些新鲜的冰块来喝。 当大卫·马尚特打开他的冰柜时，他可能会拿到一块800万年前的南极冰块——这个澳门威尼斯人注册网站研究工具已经为澳门威尼斯人注册网站研究古代生命形式提供了新的见解，并可能为行星际探索提供更多答案。

马尚是艺术与科学学院的地球科学副教授，自20世纪80年代以来，他一直前往南极洲，并在他的部门的安全冰柜里储存了400多磅世界上最古老的冰。 Now, several of the glacial ice samples that he and his students took from the Dry Valleys of the Transantarctic Mountains are revealing that the DNA of ancient microorganisms, long frozen in glaciers, may return to life as the ice melts — 发现 published earlier this year in the 美国国家科学院院刊.

2004年春天，Marchant在罗格斯大学（Rutgers）就南极埋冰的起源和年代学发表演讲，这是这项澳门威尼斯人注册网站研究的起源。 之后，罗格斯大学海洋微生物学、微生物生态学和生物地球化学助理教授凯·比德尔（Kay Bidle）和罗格斯大学生物化学和生物物理学教授保罗·法尔科夫斯基（Paul Falkowski）对澳门威尼斯人注册网站研究冰的生物学产生了兴趣。比德尔是这项澳门威尼斯人注册网站研究的主要作者。 比德尔说：“因为冰是如此古老，而且由于那个特定山谷的条件，你可以开始问一些基本的问题，澳门威尼斯人注册细胞维持活力的时间是否有任何限制。” “在漫长的地质时期内，什么样的物理因素会降低或限制生存能力？”

Marchant在1998年与波士顿大学的学生一起去南极洲旅行时收集了冰块样本，这些样本的年龄从10万年到800万年不等。他把这些样本装进板条箱，用蓝色冰袋冷藏，然后通过常规快递服务寄往新泽西。 He spoke with 但是今天 about ancient ice and its research application.

今天部: 如何确定冰的年龄？
Marchant: 直接测定冰的年代是非常困难的。 该方法是测定冰面上或包含在其中的其他物质的年代，然后通过数值模拟，确定计算出的年龄是否具有地质意义。 在这项澳门威尼斯人注册网站研究中，我们采用了四种不同的测年技术：首先，对冰面上的巨石进行宇宙生成核素分析。 极少量的宇宙核素，或受宇宙射线影响的同位素，在暴露于大气中的岩石的外表面积累起来。 如果已知这些核素的生成速率，并且在侵蚀过程中没有核素丢失，那么就可以计算出暴露年龄。 通过这项技术，我们确定了冰面上最古老的巨石的暴露时间长达760万年，这表明下面的冰甚至更古老。 这是我们的第一个定量数据，表明存在非常古老的冰。

然后，我们对高山冰的流动进行了数值模拟，发现结果与宇宙成因数据非常吻合。 然后，在我们的实地考察过程中，我们绘制了冰川顶部的几处火山灰沉积物的分布图，并确定了它们的年代——最古老的沉积物大约有800万年的历史。 最后一种方法是用卫星测量现代冰流速度。 如果冰川的远端区域真的有800万年的历史，而这个系统今天接近平衡，那么冰应该几乎是停滞的，每年的水平速度不到一毫米。 所有这些技术都得出了一致的结果，这些冰的年龄范围从山谷顶部的现代到其末端的800万年。 最终的结果是，这个冰川系统是南极洲最古老的冰川系统之一。

我们也很好奇在这个高山系统中剩下的冰的厚度。 我们的多通道地震调查表明，南极马林斯山谷的冰层厚度约为45至100米，比肯山谷上游的冰层厚度达150米。

你如何融化古老的冰，提取微生物和DNA，然后在实验室里培养微生物？
为了监测细菌活力，我们将各种标准微生物营养配方添加到净化的融水中，并在4摄氏度下孵育。 我们在一年的时间里通过测量光密度和用dna结合染色剂SYBR Gold（一种识别核酸的凝胶染色剂）直接染色细胞来跟踪它们的生长。 两者都是检测微生物生长的标准方法。

为了检查被包裹的DNA的状态，我们通过过滤和离心收集被包裹的微生物。 然后，我们使用标准的分子生物学技术提取群落DNA。 我们能够通过琼脂糖电泳测量DNA的大小来评估DNA的降解程度，琼脂糖电泳通过琼脂的电场将分子分开，琼脂是一种来源于藻类的凝胶物质。 然后我们测量碱基对，也就是把基因密码串成一行的字母。 30万年前的年轻冰的大小约为1.8万个碱基对，这与800万年前的冰的大小约为210个碱基对有很大不同。 相比之下，一个典型细菌的基因组有300万个碱基对。

你对微生物了解多少？ 它们是细菌，但是是什么类型的呢？
我们通过对冰层中微生物的16S rDNA基因进行测序来鉴定它们的身份。在过去的10年里，这种基因一直被用来鉴定环境中的微生物，即使你不能培养它们。 16S rDNA分子是参与蛋白质制造的核糖体机制的一个组成部分。 它被用来识别所有生物以及它们之间的关系。 我们在两种冰中发现的微生物与在各种冰和土壤环境中发现的常见环境微生物关系最为密切。

微生物是如何存活这么久的？
考虑到南极接受地球上最高的宇宙辐射通量，很明显，任何存活下来的生物都必须拥有复杂的DNA修复能力。 如果你的DNA被切成小块，你就有麻烦了。 考虑到旧冰中DNA的平均大小为200个碱基对，大多数生物体的DNA已经退化到无法修复的程度，然而，一个亚种群能够保持足够大的DNA大小来生长。 冰是细菌的时间胶囊，我们可以在其中绘制细菌进化和DNA降解的速度。

我们是否可以从中吸取教训，将其应用于其他星球？
这种冰对气候的影响，以及它与火星和凤凰号任务在火星上寻找水的相关性，是我们在波士顿大学正在进行的其他资助澳门威尼斯人注册网站研究的一部分。 除了为古细菌提供住所外，冰还提供了大量的古气候信息。 First, its great longevity indicates that surface-air temperatures in the Antarctic Dry Valleys have not been significantly greater during the past eight  million years. 其次，可以测量被困在冰中的气泡，从而揭示过去自然“温室”气体的浓度。 相比之下，今天南极洲活跃冰盖中最古老的冰只有大约90万年的历史，这使得干谷中停滞的冰成为一个独特的、相当古老的古气候档案。

该地区与某些被认为含有地下冰的火星地形的相似性使其成为我们在地球上拥有的最佳代表之一。 由于火星没有磁场，它也会接收到非常高的宇宙辐射。 这项澳门威尼斯人注册网站研究让我们更好地了解了微生物在漫长的地质时期所遇到的物理因素，以及它们如何影响它们的潜在生存能力和遗传完整性。 它还提供了对可行性可能的时间框架的洞察。

媒体上的一些文章认为，随着气候变化，导致冰川融化，微生物将恢复生命。 这是真的吗？ 如果是这样，对现代生物会有什么影响？
目前，我们还不知道复苏的微生物将如何影响现有的微生物群落。 它们肯定会与现有的微生物种群混合，也许会增强微生物的多样性。 我们没有在冰样本中发现任何有害细菌，因此影响人类健康的可能性极小。 一些同事谈到了复活潜在有害细菌和病毒的可能性——不一定对人类有害，但可能对海洋生物有害——但据我们所知，没有数据支持这一点。

另一个同样重要。 问题是古代DNA的释放，以及这可能对微生物群落和微生物进化速度产生的影响。 环境微生物通过横向基因转移或吸收和同化外来DNA而进化。 这种遗传信息可以被吸收，是有益的还是有害的，由自然选择决定。 微生物获得新的特性，可以增加微生物的多样性和它们进化的速度。 它们是唯一具有这种能力的生物，我们知道它们非常擅长这种能力。

我们强调，随着冰川的形成和融化，这些过程无疑在地球历史上多次发生过。 它是地球自然过程的一部分。