“挖”出來的科學(xué)：那些土壤告訴我們的事情|觀察

導(dǎo)  讀

你很容易輕視腳下的泥土。但它的常見并不意味著無趣。

 

撰文  LINDSEY KONKEL

翻譯  楊晚鈺

審校  張夢(mèng)茜

轉(zhuǎn)載自“科研圈”微信公號(hào)（2017年12月20日）

 

 

圖片來源：JURGUTE/ISTOCKPHOTO

 

人們常常把土壤看作結(jié)塊的泥土,。實(shí)際上,，土壤中蘊(yùn)含生機(jī)，有微生物,，小蟲及數(shù)不清的其他生物,。其豐富多樣的組分,，能為各行各業(yè)的人提供幫助，像是破案人員,，人類學(xué)家和氣候?qū)W家,。

 

你很容易輕視腳下的泥土。但它的常見并不意味著無趣,。一些研究人員將土壤比作地球的皮膚,。

 

“它是這個(gè)星球上最重要的部分，因?yàn)樗谏w著一切,，”洛娜·道森（Lorna Dawson）說,。她是蘇格蘭阿伯丁的詹姆斯·赫頓研究所（James Hutton Institute）的一名土壤學(xué)家。

 

土壤構(gòu)成了地表層,，是各種礦物,、富碳物質(zhì)、水和空氣的復(fù)雜混合物,。它在生產(chǎn)糧食,，凈化大氣及儲(chǔ)存水分等方面都發(fā)揮著不可或缺的作用。土壤中還含有動(dòng)植物分解所剩的殘?bào)w,，蘊(yùn)藏著數(shù)不清的微生物,，如細(xì)菌和真菌。

 

土壤中還有大量未解之謎的線索,。沼澤深層土壤為古人類的活動(dòng)提供證據(jù),。粘附在鞋上或衣服上的泥土可以幫助科學(xué)家尋找罪犯。而遠(yuǎn)在北極,，凍土中的一種細(xì)菌將可能保護(hù)我們的星球,。

 

深入凍土

 

珍妮特·瓊森（Janet Jansson）在研究一種永久性凍結(jié)的土壤。這種被稱為永久凍土的土壤（permafrost）,，覆蓋了北極的大部分區(qū)域,，占北半球土地面積的四分之一。

 

 

永久凍土——地極附近的冰凍土壤——含有能從大氣中固碳的微生物,。

圖片來源：Nick Bonzey/Wikimedia Commons (CCBY-SA2.0)

 

但科學(xué)家擔(dān)憂一些永久凍土將不再“永久”了,。近幾十年來，人類活動(dòng)向大氣中排放了過量的二氧化碳及其他溫室氣體,。這些氣體將熱量“封存”在地球表面,，使溫度上升。不難看出,，全球氣溫都在不斷上升,，而北方地區(qū)尤為明顯。這會(huì)導(dǎo)致大面積的永久凍土融化。

 

由于永久凍土的關(guān)鍵性作用,，其消失將引發(fā)許多問題,。

 

苔原是極北方的一片無樹植被平原，覆蓋于永久凍土之上,。其土壤固定的碳多達(dá)整個(gè)地球土壤固碳總量的三分之一,。如果永久凍土開始融化，土壤中的植物殘?bào)w將開始腐爛分解,。這會(huì)將這些植物中固定的碳都釋放出來,。其中一部分以二氧化碳的形式進(jìn)入到大氣中，科學(xué)家擔(dān)心這將加劇全球變暖,。

 

瓊森相信土壤細(xì)菌可以幫助推算植物碳的釋放速率,。她在位于華盛頓州里奇蘭得的太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory）擔(dān)任微生物學(xué)家，專門研究阿拉斯加和格陵蘭島位于北極圈內(nèi)凍土中的細(xì)菌,。

 

 

 

珍妮特·瓊森在格陵蘭島附近的海岸航行,，這是她研究永久凍土的地點(diǎn)之一。

圖片來源：PNNL

 

一些氣候?qū)W家和土壤學(xué)家認(rèn)為,，微生物的存在會(huì)加速永久凍土的融化,，促使額外溫室氣體的釋放。然而,，一些微生物卻可能減緩這一過程,。微生物的相互作用如何影響土壤中含碳?xì)怏w的釋放？瓊森正在努力探索,。她說,，“了解其中存在哪些微生物，以及它們的作用,，能幫助我們更好地做出推測(cè),。”

 

光是一勺土壤中就可含一百萬細(xì)菌。這些微生物形成了緊密相連的群落,。這使辨認(rèn)具體的細(xì)菌種類變得困難,。其中一些細(xì)菌在實(shí)驗(yàn)室條件下很難培養(yǎng)出來。不過瓊森并不需要做這些,。她運(yùn)用了一種叫做宏基因組學(xué)（metagenomics）的技術(shù)。這幫助她分析出土壤樣本中的遺傳物質(zhì),。通過一系列的基因,，她能辨認(rèn)出大多數(shù)的土壤細(xì)菌。

 

瓊森希望能找出永久凍土中的一種細(xì)菌,，它能夠自然地吸入空氣中的二氧化碳,，并將其儲(chǔ)存在地下（整個(gè)過程不會(huì)引起氣溫上升）。她說，理解這些細(xì)菌的運(yùn)作機(jī)制,，甚至能幫助科學(xué)家發(fā)明出降低大氣二氧化碳濃度的新方法,。

 

舉例來說，或許有一天,，科學(xué)家會(huì)在永久凍土及其他土壤中添加有用的微生物,。這些外援的細(xì)菌就能從大氣中吸收更多的二氧化碳，并將其儲(chǔ)存在地下,。她希望這將是應(yīng)對(duì)全球變暖的新方法,。

 

追蹤罪犯

 

圖片來源：svf74/iStockphoto

 

泥土研究圈也有福爾摩斯式的傳奇：從粘附在輪子、工具或長(zhǎng)靴上的微量泥土中推斷出一個(gè)人去過的地方,，珍妮特·瓊森這樣的科學(xué)家就能夠做到,。

 

差不多有 20 年的時(shí)間，洛娜·道森（Lorna Dawson）都埋頭研究不同類型的土壤構(gòu)成,。2003 年的一天,，一名警官來到她的實(shí)驗(yàn)室，讓她幫忙破案,。她的職業(yè)就此轉(zhuǎn)變,。

 

這名警官想要知道，從嫌疑犯長(zhǎng)靴底部的泥土,，是否可以定位出毒品的藏匿點(diǎn),。

 

道森對(duì)土壤進(jìn)行分析，并與實(shí)驗(yàn)室土壤樣品進(jìn)行比較,。她成功地將長(zhǎng)靴上泥土中的一種植物分子與一片樹林匹配上了,。這位警官真的在道森測(cè)出的林子里找到了毒品。

 

道森解釋說,，“多數(shù)的戶外犯罪現(xiàn)場(chǎng)都牽扯到土壤,。其中有許多隱藏的線索。”第一次幫警察破案的經(jīng)歷轉(zhuǎn)移了她的科研重心,。如今她成了一位法醫(yī)土壤學(xué)家,。她在詹姆斯·赫頓研究所的實(shí)驗(yàn)室，也成為世界上少有的利用土壤研究協(xié)助破案的實(shí)驗(yàn)室之一,。它幫助調(diào)查人員找到犯罪現(xiàn)場(chǎng),，以及肇事者作案后的去向。留在土壤中的一點(diǎn)點(diǎn)東西都可以提供線索,。這些東西可能來自植物,、衣服、藻類,，甚至是大氣污染物,。

 

這并不是一個(gè)全新的想法,。幾個(gè)世紀(jì)以來，調(diào)查人員都在利用土壤破案,。在阿瑟·柯南·道爾 1887 年的偵探小說《血字的研究》中,，土壤的作用就被陳述出來。華生記錄到,，通過土壤的顏色,，夏洛克·福爾摩斯能將褲子上濺的泥濘與倫敦不同區(qū)域匹配起來。

 

但是許多年來,，偵探都將重心放在土壤的物理特征上,。他們可能會(huì)注意觀察顏色，感受黏度,，以及其瓦解的難易程度,。可惜這些線索不總是可信的,。舉例來說,，一個(gè)人對(duì)棕色的描述可能會(huì)和另一個(gè)人有出入。

 

 

洛娜·道森從長(zhǎng)靴的泥土中找到罪犯的線索,。

圖片來源：The James Hutton Institute

 

道森也意識(shí)到了這一點(diǎn),，她通過一些科學(xué)方法的應(yīng)用來確保法醫(yī)土壤研究學(xué)的準(zhǔn)確性。首先,，她研究土壤中的有機(jī)質(zhì),。（有機(jī)質(zhì)是指植物或其他生物腐爛后留下的富碳物質(zhì)。）她可以用色譜和質(zhì)譜技術(shù)辨認(rèn)出土壤的分子或元素組成,。

 

這些分析工具使道森得以對(duì)十分微量的土壤樣品進(jìn)行研究,。比方說，她只需 20 微克（大約一顆米的重量）的土壤,，就能說出嫌疑人之前是在農(nóng)場(chǎng)還是草地邊界待過,。“這個(gè)量真的太小了，”她說,，“離開犯罪現(xiàn)場(chǎng)的人甚至都不會(huì)察覺到,。”

 

這種微小的線索在結(jié)案時(shí)或許有舉足輕重的作用。她回想起在 2014 年的一個(gè)案件中,，她對(duì)嫌疑犯長(zhǎng)靴下的土壤研究,，幫助定罪了蘇格蘭最臭名昭著的連環(huán)殺手。這個(gè)案子 40 年來都懸而未解,。當(dāng)時(shí)兩個(gè) 17 歲的少女被殺害,。這個(gè)案子對(duì)道森有著特殊的意義。那是 1977 年,，它的發(fā)生地距離道森在愛丁堡大學(xué)的宿舍只有一街之遙,。這件事讓她晚上都不敢出門。道森說能夠站在法庭上為案件提供證據(jù),，是她工作中最有成就感的時(shí)刻,。“土壤科學(xué)，”她補(bǔ)充到,，“就像是破案?jìng)刹槠磮D中的一塊,，能伸張正義。”

 

揭示過往

 

土壤可以幫助偵探尋找犯罪現(xiàn)場(chǎng),，也可以幫助科學(xué)家和歷史學(xué)家了解遙遠(yuǎn)的過去,。

 

基拉·霍夫曼（Kira Hoffman）是加拿大英屬哥倫比亞維多利亞大學(xué)（University of Victoriain British Columbia）的一名研究生。作為一名群落生態(tài)學(xué)家,，她通過研究生態(tài)系統(tǒng)中不同生物體的關(guān)系,，來更好地理解它們的相互聯(lián)系。

 

 

這是水苔的樣子,。從沼澤中開采的水苔富含營(yíng)養(yǎng)元素,，因此許多園丁將其作為土壤營(yíng)養(yǎng)添加劑。

圖片來源：tortoon/iStockphoto

 

研究讓她來到了加拿大沿海熱帶雨林的沼澤中,。沼澤是一種土質(zhì)柔軟的濕地,。它們往往充滿了一種叫做水苔（sphagnum）的苔蘚。它像海綿一樣吸收水分,。

 

沼澤并不常見,，霍夫曼說。人們對(duì)它知之甚少,，因此將其看作“不可思議的神秘生態(tài)系統(tǒng)”,。要到達(dá)位于加拿大海岸線附近的研究地點(diǎn)，她需要先劃一小時(shí)的獨(dú)木舟,。

 

她所研究的這片沼澤中的土壤可以追溯到 13000 年前,。當(dāng)她不斷挖掘土壤層時(shí)，有關(guān)那時(shí)的植物,、動(dòng)物以及周圍生活人類的線索都向她展開,。霍夫曼在土地上挖出很大的洞,，這樣可以看到土壤層次,。在泥炭中挖掘時(shí)，她注意到完美的木炭痕跡貫穿于一些層次中,。這些木炭就是火的證據(jù),。當(dāng)水苔死亡并開始腐爛時(shí)，會(huì)形成一種叫做泥炭的土壤,。腐爛的植物形成酸性環(huán)境,，導(dǎo)致濕地中的泥炭分解十分緩慢,。因此，沼澤中的泥炭可以保留幾千年前的線索,，霍夫曼解釋道,。

 

為了知道這些火燃燒的年份，她使用了一種叫做放射性碳年代測(cè)定（radio carbondating）的技術(shù),。這項(xiàng)技術(shù)通過比較兩種形式的碳——碳 12 和碳 14 ——的相對(duì)含量,，來推測(cè)時(shí)間。其中碳 14 是具有放射性的,。隨著時(shí)間推移,，它的原子會(huì)以已知的速率分解（失去一個(gè)或兩個(gè)亞原子粒子）。這就使碳 14 轉(zhuǎn)化為碳 12 ,?？茖W(xué)家可以利用這兩種形式碳的比例來大致推測(cè)含碳物質(zhì)的年紀(jì)。

 

 

基拉·霍夫曼從泥炭沼澤中采集土壤,，以探究生活在這里的古人,。她頭上帶著網(wǎng)罩，為避免蚊蟲和其他沼澤生物的叮咬,。

圖片來源：Kira Hoffman

 

霍夫曼表示,，通過木炭痕跡和放射性碳年代測(cè)定可以證明，加拿大最早的原住民幾千年來都使用火來塑造土地,?；蛟S為了更好地看見獵物，他們想將土地?zé)靡挥[無余,。

 

沼澤中還含有各種各樣的漿果——蔓越莓,，越橘莓還有美洲大樹莓。當(dāng)時(shí)的原住民會(huì)吃這些漿果,。他們可能用火來修剪這些灌木叢,。這會(huì)讓漿果長(zhǎng)得更豐美多汁。（除去多葉的枝條能使更多的能量用于植株的果實(shí)生產(chǎn)中,。）

 

火有著維持生態(tài)系統(tǒng)健康的作用,，霍夫曼解釋說，它促使一些植物長(zhǎng)得更厚實(shí)更穩(wěn)固,。

 

“沼澤是這些人的家園,。來自土壤的線索呈現(xiàn)出他們的生活方式，”霍夫曼總結(jié)道,。對(duì)于古人的生活方式,，她還有一些問題需要解答。她說,，土壤或許能為研究人員了解加拿大的首批原住民提供幫助,，比如他們?nèi)绾谓ㄔ旆课?，甚至如何處理垃圾?/span>

 

“當(dāng)你仔細(xì)注意土壤時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它特別酷,！”她說,。霍夫曼鼓勵(lì)每一個(gè)人探索腳下的土地：“你會(huì)開始意識(shí)到,，小小的一勺土壤中包含著一整個(gè)神奇的世界。”