真菌是樹木“毛髮俱樂部”的創始人

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點

作者注：我對你們感到好奇，並與科學家 Paige Brown Jarreau 合作，於今天啟動了一項針對我讀者的調查。詳情請見本文末尾！

在 1916-17 年的冬天，阿爾弗雷德·魏格納在德國軍隊的氣象部門服役。那年冬天的某個時候，也許是在執行公務的過程中，他注意到法國孚日山脈靠近德國邊境的倒木和樹枝上長出了一些奇怪的東西。它看起來像是奢華、絲滑的冰發。

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魏格納的名字可能聽起來很熟悉。他後來因比樹木的毛髮更驚天動地的事情而聞名：大陸漂移。他是最早和最積極倡導這一觀點的人之一。

然而，他大大高估了大陸漂移的速度，這對他的論點沒有幫助；他缺乏整個大陸可能犁過海底的機制；而且（從地質學家的角度來看，最糟糕的是）他是一位氣象學家。當然，他不可能對陸地有任何明智的見解——尤其是一些顛覆了數百年地質學正統觀念的見解。

1912 年，他出版了《海陸的起源》，但在之後的幾年裡，他的觀點遭到了更廣泛的地質學界的嘲笑和駁斥。直到 20 世紀 40 年代，英國地質學家亞瑟·霍姆斯才發表了關於漂移的合理機制，直到 20 世紀 60 年代，大西洋中脊兩側匹配的磁帶記錄儀的鐵證被發現，大陸漂移——很快更名為板塊構造——才幾乎被普遍認為是地球地質學的主要驅動力。那時，魏格納早已去世；他在 1930 年在格陵蘭島為一個研究站補給時遇難。

與此同時，他關於毛髮冰這一重要主題的研究，理所當然地，仍然鮮為人知。

但科學家們並沒有放棄它，來自德國和瑞士的一個團隊最近取得了一項發現——於 7 月發表在期刊Biogeosciences上——這不僅證實了魏格納關於成因的觀點，而且還確定了賦予鵝耳櫪和接骨木沙龍級美髮的“造型師”。

毛髮冰由極細的絲狀物組成，寬度僅為 0.02 毫米，長度可達 20 釐米。它通常出現在無樹皮的枯木或樹皮開始剝落的木材上。它通常在潮溼、腐爛的、躺在地上的原木和樹枝上發現，但有時也在仍然站立的樹木的枯死部分發現。這些“毛髮”光滑而有光澤，可能像人類的頭髮一樣，有波浪、捲曲甚至分叉。

“荷蘭烏得勒支省奧斯特利茨的 IJshaar”，作者：Ronaldhuizer - 自己的作品。根據 CC BY 3.0 許可透過 Commons 釋出。

這是一個毛髮冰形成的延時影片

只有在狹窄的條件下才允許毛髮冰形成。如果空氣太乾燥，毛髮冰會昇華，因此空氣必須潮溼。平靜的條件也有幫助。此外，溫度必須低於 0

°C（32°F）——但只需略低於冰點即可。最後，毛髮冰主要出現在北緯 45° 至 55° 之間，這個緯度帶包括美國北部、加拿大、俄羅斯和北歐。

毛髮冰還有其他一些特性。一旦一塊木頭獲得了生長毛髮冰的能力，它就會保持這種能力，並且可以多次重新長出“毛髮”。這些“毛髮”也從木材的特定部分“射線”中長出。“射線”是從樹木中心向樹皮外生長的木質細胞，當樹木被橫向切割時，會呈現出射線狀外觀。

在活樹中，這些細胞是輸導組織，可以將食物和水分從樹幹內部輸送到外部，反之亦然，還可以儲存澱粉、蛋白質和稱為脂質的脂肪物質。射線細胞還可以產生特殊的物質，如樹脂。在這張照片中，你可以看到年輪（較大的導管在春季和夏季形成，較小的導管在冬季形成），它們被徑向排列的射線細胞分隔開。

“EicheQuerschnitt”，作者：http://de.wikipedia.org/wiki/Benutzer:ConstantinSander - http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:EicheQuerschnitt.JPG。根據 CC BY-SA 3.0 許可透過 Commons 釋出。

值得注意的是，冰“毛髮”的厚度與發現它們的特定樹種的木材射線細胞的直徑完全相同。

科學家們還懷疑，一種稱為“冰析離”的現象在毛髮冰的形成中發揮作用。冰、水和多孔物質（如土壤或木材）都必須存在才能發生這個過程。土壤或木材也必須被水浸透。一旦冰晶形成，它的生長就會由水透過毛細作用向木材或土壤孔隙表面的凍結處移動來驅動。只要基質中有“液態水燃料”，並且它可以透過毛細作用移動，冰就會繼續生長。漸漸地，隨著液態水被排出，木材或土壤會變幹，當液態水消失時，凍結就會停止。

凍脹——坑窪的常見原因——是冰析離的一個例子。凍脹導致土壤隆起，因為在冰析離形成的凍結鋒面下，冰晶的生長將土壤向上推。

冰析離解釋了毛髮冰最初是如何形成的。但它無法解釋“毛髮”的奇妙形狀以及它能持續數小時或數天的原因。一定還有其他因素參與其中。

當魏格納第一次遇到毛髮冰時，無論是在 1916/17 年的孚日山脈，還是在 1918 年 2 月的德國北部萊茵斯貝格，他都注意到有“毛髮”的樹枝上有一層真菌絲狀物。他推測這種真菌在毛髮冰的形成中發揮了作用。多年來，其他科學家已經證實，真菌存在於產生毛髮冰的木材中，但沒有人測試真菌是否對毛髮冰的產生至關重要。

為了調查活真菌的存在是否對毛髮冰的形成至關重要，德瑞團隊用殺菌劑處理產生毛髮冰的木材，以 15 分鐘為增量，最長處理 120 分鐘。即使在 15 分鐘時，木材產生的毛髮冰也比對照組少得多，120 分鐘時則完全停止了產生。

熱水處理產生了相同的效果，即使僅處理一分鐘，也完全抑制了隨後的毛髮冰生長。經過殺菌劑處理和熱處理的木材隨著時間的推移慢慢恢復了產生毛髮冰的能力——可能是因為真菌從毒性暴露中恢復過來，或者一些孢子存活下來並在後來發芽。

接下來，科學家們試圖確定所涉及的真菌或多種真菌。一個清晰的模式出現了。雖然許多樹木可以產生毛髮冰——來自五個科的 10 種闊葉植物——但在每個毛髮冰樣本中只出現了一種真菌：Exidiopsis effusa。

當毛髮冰在深秋首次形成時，它還不可見。但幾周後，它的“不引人注目的子實體”——基本上是一種樸素的白色薄膜，也可能帶有藍色、灰色或粉紅色——出現在所有產生毛髮冰的樣本的相同區域，正如魏格納所描述的那樣。

“Exidiopsis effusa a1 (5)”，作者：Jerzy Opioła - 自己的作品。根據 CC BY-SA 4.0 許可透過 Commons 釋出。

在真菌塗層下的木材內部，木材細胞充滿了稱為菌絲的真菌絲狀物。它們沿著木材導管生長，但也利用木射線進入木材的更深處。

真菌是否在積極地做些什麼來產生毛髮冰？當科學家們觀察凍結過程中產生的熱量時，他們發現真菌幾乎沒有產生熱量，這表明它可能沒有進行代謝，也沒有在毛髮冰的形成中發揮任何積極作用。然而，活真菌必須存在才能形成毛髮冰。是什麼解釋了這個難題呢？

冰有一種特殊的趨勢，稱為“重結晶”。在這個過程中，在水分子短暫融化和重新凍結時，表面張力的驅動下，小冰晶會迅速溶解並融入較大的冰晶中，從而促進大晶體的生長，以犧牲小晶體為代價。

在自然界中，生活在極地氣候中的魚類、昆蟲、植物、真菌和細菌等生物通常擁有稱為“重結晶抑制劑”的蛋白質——有時也稱為“生物防凍劑”——它可以阻止小冰晶透過這個過程生長成更大的冰晶。在細胞內部，大晶體是不好的，因為當它們足夠大時，它們會刺穿細胞膜或撕裂整個組織。在人類中，凍傷是可怕的結果。

由於毛髮冰的細絲可以保持其精緻的形狀數天，這強烈地向Biogeosciences論文的作者暗示，毛髮冰“摻雜”了某種重結晶抑制劑。支援這一觀點的證據是，他們說，融化的毛髮冰的水呈棕色，這表明其中懸浮著某種有機物質。

當毛髮冰融化並透過質譜分析法研究其化學成分時，科學家們發現其中的有機物質是木質素和單寧，這是木材的兩種主要成分。木質素就像木材中的鋼筋——它們穩定細胞壁，防止被擠壓。木質素也是最堅固的生物化學物質之一，幾乎無法被生物體消化。沒有動物可以消化它，只有少數真菌和細菌設法找到了方法。單寧使森林湖泊和茶水變成棕色，阻止食草動物和寄生蟲，並賦予紅酒那種澀味（去年，我在這裡寫了關於植物細胞器官發現單寧的文章）。

關於木質素和單寧，似乎相關的是，它們是大的、不規則的分子，可能充當冰晶成核劑——或作為重結晶抑制劑。一個潛在的線索：一種形式的木質素減緩了水泥的硬化。或者，木質素和單寧的存在可能是一個障眼法，而重結晶抑制劑可能是由Exidiopsis effusa產生的其他有機化學物質。無論它是什麼，它也可能存在於融化時出現在毛髮冰內部的細小的短暫“毛髮”中。

真菌的作用似乎不是“製造”毛髮冰，而是在被動地塑造它，透過其存在於向外指的噴嘴狀射線細胞中，並與真菌產生的重結晶抑制劑結合。射線細胞透過其直徑和冰析離被動地產生初始形狀，而存在於水中並在凍結過程中嵌入冰中的重結晶抑制劑被動地防止細“毛髮”的形狀在發芽後變成更大的晶體。但顯然，這隻能由活著的真菌產生的物質來完成。

真菌正在產生的某種物質必須作為重結晶抑制劑發揮作用，才能使那些長而美麗的“毛髮”——長徑比高達 10,000:1——在接近冰點的情況下持續數小時或數天，而此時冰很可能發生短暫的融化和重塑。因為當科學家們用毒藥或熱水浸泡產生毛髮冰的木材時，那些失去了神奇的“鬃毛”製造能力的樹枝，剩下的只是無聊的冰殼。

特別說明：我對我的讀者們感到好奇！ 我與研究員 Paige Brown Jarreau（部落格 From the Lab Bench 的作者）合作，建立了一項針對我讀者的調查。透過參與，您將幫助我改進The Artful Amoeba，併為 SCIENCE 做出關於部落格讀者群的貢獻。您還將從 Paige's Photography 獲得免費的科學藝術品，以及有機會贏得 50.00 美元的亞馬遜禮品卡（100 張可用，或保證每個參與此調查的特定部落格 2 張）或一件 T 恤。完成調查只需 10-15 分鐘。您可以在這裡找到調查：http://bit.ly/mysciblogreaders。

參考文獻

Hofmann, D.，G. Preuss 和 C. Mätzler。“毛髮冰生物成型的證據。”Biogeosciences Discussions 12 (2015): 5293-5332.