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不入洞穴,焉得科研宝藏

2018-07-20 10:21 来源:《中国科学报》 
2018-07-20 10:21:02来源:《中国科学报》作者:责任编辑:张佳兴

  孙承航在做洞穴样点采集

  科研人员在洞穴考察

  洞穴鱼

  6月底,泰国少年足球队一行13人被困在泰国北部的山洞里,直到7月10日,在历经18天后才全部被救出。这次营救行动包括中国救援队在内的全世界多个国家的救援专业人士,可见营救之困难。

  随着这次事件的发展,人们才惊觉原来洞穴是如此危险。事实上,相对人类对天空、海洋以及地表自然界等的探索,洞穴还是一块未完全开发的处女地,而其相对封闭的生态系统,则成为科学家发掘“宝藏”之地。

  危险的科研

  没有光,高大的绝壁,清幽的河水,未知的生物,处在这样的环境,如同身在外星球。这就是洞穴。

  洞穴的形成是一种复杂的化学溶蚀、机械侵蚀以及崩塌等过程。

  洞穴是美的。在已开发的溶洞里,普通旅游者可以欣赏到洞穴中千奇百怪、种类繁多的钟乳石,如同一座瑰丽的地下艺术宫殿。

  但要进入未开发的洞穴则充满危险。探索这样的洞穴自然也是困难的,如位于贵州省遵义市绥阳县的双河洞,是目前世界上排名第十一、亚洲排名第二的长洞。由中日、中法洞穴专家历时27年合作探测,至今仍在探测中,目前已探明的双河洞洞穴系统长度达161公里,有34个洞口、5条地下河及133条大小不等相互连通的支洞。

  中国科学院动物研究所副研究员赵亚辉大学毕业后就开始了洞穴鱼的研究,每年都会进二三十个洞穴进行考察。他向《中国科学报》记者介绍说,洞穴科考时间的选择很重要,比如雨季不适合进洞。另外,有复杂分支系统的洞穴容易迷路,有的洞密闭性好,二氧化碳浓度高,而氧气缺乏,比较危险;而有的洞穴里,气体有毒,甚至一些病菌可直接造成肺部感染;等等。

  特殊的环境给洞穴考察带来很大的困难,科研人员需要经过特殊的训练,才能进入其中。

  “从个人的感受来讲,肯定要有一个适应的过程,开始进入相对封闭且黑暗的空间,是有恐惧感,但时间长了,就会慢慢适应。”赵亚辉说,一般大的洞穴里没有特别危险的野兽,因此只要初期克服一定的恐惧感,通过一定的训练就可以。

  中国医学科学院&北京协和医学院医药生物技术研究所研究员孙承航的研究方向是极端环境药用微生物资源斟探与新抗生素发现,他曾进入贵州双河洞、河南神仙洞、湖北利川腾龙洞等洞穴系统采集放线菌。为此,他曾参加了两次专业探洞培训并取得证书。

  “我印象比较深刻的是在双河洞,有的支洞地下水丰富,造成洞壁光滑,下洞过程很危险。”孙承航说,在黑暗潮湿的洞穴中,很容易摔倒受伤,被岩石划伤、撞断肋骨等情况常有发生。

  他告诉《中国科学报》记者,洞穴科考探险中,一般至少要3名队员下洞,队员的责任心和信赖感非常重要,应该说是生命相托的关系。在探洞过程中,洞穴界的朋友们给予了他极多帮助,所以他也常在发表的论文中特别注明,予以致谢。

  一个封闭的生态体系

  有人说,到洞穴里,不论做什么的,都能找到你的位置。

  赵亚辉的办公桌上放着至少三个新的洞穴鱼标本。据统计,目前中国的洞穴鱼的物种数量已超过140种,是全世界最多的,占全世界洞穴鱼的三分之一左右,而且每年都会有新的洞穴鱼的物种被描述。

  “与我们原来的想象有出入。在洞穴里面有相对完整的生态系统,也有一个完整的食物链。”赵亚辉介绍。

  洞穴是一个复杂的系统。在这样一个没有光的极端环境中生存,对于生物体来讲,面临比一般环境更大且不同的挑战。生活在这样环境中的生物体,在长期演化过程中演化出一系列特殊的结构、性状和功能,来适应这样的环境。而他们正是围绕这些科学问题来开展研究。

  有洞穴探险的朋友问孙承航为什么要自己进到洞里,他们可以帮着采集。“他们采样品的感觉和我们不一样,我们会更关注原始古老和极度寡营养的样品。”孙承航对记者说。

  孙承航介绍,放线菌是微生物中重要的药用菌,其产生的抗生素是20世纪医学皇冠上最耀眼的明珠。从特殊生态环境中发现放线菌新资源和新抗生素克服耐药是科研人员正在尝试的途径之一。

  受到国外科学家的启发,他们在国内率先开展洞穴样品采集、药用微生物勘探和新抗生素发现。

  作为双河洞洞穴系统放线菌的首批研究者,他们不但初步研究了阴河洞和杉林洞两个支洞的放线菌微生物多样性,并对放线菌的抗菌活性进行了研究。结果显示,双河洞不仅存在放线菌,而且多样性丰富,并栖息着潜在新物种。另外,从重庆武隆洞穴中,他们发现了一个放线菌新属和首个新抗生素——霞客霉素。

  不过,与其他科研相比,洞穴科研还有一些制约,比如研究手段、研究材料等。

  首先是器材不容易带进洞内,即使带进去有时也不能用,比如观察洞穴鱼的自然行为,现在的摄像机就不能用,原因在于,没有光线拍摄不了,有了光又对洞穴鱼产生刺激,不能真实记录、描述其行为方式。

  从素材的选取上,洞穴里的种群比较小,要收集到足够的、有统计意义的材料非常困难。

  中国洞穴科研刚刚起步

  我国的洞穴数以万计。洞穴学研究已包含相当丰富的研究内容和学科分支,包含洞穴水文地质、洞穴形成与演化、洞穴次生化学沉积物、洞穴气候、洞穴环境、洞穴考古、洞穴生物、洞穴开发与资源保护,以及洞穴探测与制图等相当丰富的研究内容和学科分支。

  但相较于西方国家,我国的洞穴科研还刚刚开始。

  我国是最早记录洞穴鱼的国家。1540年,明代官员解一经在《阿庐洞记》中就有对洞穴鱼的描述:“闻其中有透明鱼,涨甚辄溢出。”

  “这描述的是生活在云南阿庐洞中的一种典型洞穴鱼——透明金线鲃,从这段记载看,几百年前人们就知道它们的存在。”赵亚辉说。

  但是,我国正式开始用现代科学手段进行洞穴生物学研究,却只是近30年左右的事,科学家进洞作研究只有20多年。“相对国外,我们晚太多了,他们对于洞穴鱼的研究有200年左右历史。”赵亚辉表示,我国的研究还处在寻找、认识物种的阶段,当然这也是未来深入开展相关研究的重要基础。

  首先要解决分类的问题,在这个基础上才能去研究它为什么长成这样,怎么长成这样的。“这是后续要做的,比如第一个层次是功能、形态上,第二个是遗传、机理上,第三个是行为学上。然后把这些联结在一起,才能最终探讨它经历了什么样的适应和演化过程。”赵亚辉解释道。目前他们已有了一些深入的研究,但和西方系统化、完整化相比,仍有很大差距。

  孙承航的研究也是如此,他说从洞穴里拿到理想的样品,分离到微生物,只是第一步,到真正获得药物,还有特别漫长的过程,“从洞穴里找到稀有的微生物、新物种,然后从微生物中找到有活性的化合物,再开展成药性研究,每个过程都充满风险和困难”。

  不过,我国的洞穴资源得天独厚,比如中国的洞穴鱼是全世界最丰富的,远远超过其他国家,这给研究者进一步深入作这方面的研究提供了好的材料支撑。

  中国的洞穴还面临着如何保护的问题。由于人类生活环境的扩张,洞穴遭到了破坏。

  孙承航说有时去老乡家借宿,他们特别希望把洞开发了,“我特别矛盾,理解老乡们的想法,又担心一旦开发了,‘宝贝’就全都没有了”。

  以洞穴生物为例,因种群数量小,加之洞穴和洞穴隔绝非常普遍,物种分化多、多样性高,同时分布区非常狭窄,有些物种只在专门的一个洞里,或者一个专门的地下河里才有,如果这个洞被破坏了,就会直接造成整个物种的灭绝。“我相信有些洞穴生物物种,在我们认识和见到它们之前,就因为人为的破坏消失了。”赵亚辉表示。(记者 温新红

[责任编辑:张佳兴]

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