“挖”出來的科學:那些土壤告訴我們的事情
2017年12月27日10:20

  人們常常把土壤看作結塊的泥土。實際上,土壤中蘊含生機,有微生物,小蟲及數不清的其他生物。其豐富多樣的組分,能為各行各業的人提供幫助,像是破案人員,人類學家和氣候學家。

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

  “它是這個星球上最重要的部分,因為它遮蓋著一切,”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)的一名土壤學家。

  土壤構成了地表層,是各種礦物、富碳物質、水和空氣的複雜混合物。它在生產糧食,淨化大氣及儲存水分等方面都發揮著不可或缺的作用。土壤中還含有動植物分解所剩的殘體,蘊藏著數不清的微生物,如細菌和真菌。

  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提供證據。粘附在鞋上或衣服上的泥土可以幫助科學家尋找罪犯。而遠在北極,凍土中的一種細菌將可能保護我們的星球。

  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)

  但科學家擔憂一些永久凍土將不再“永久”了。近幾十年來,人類活動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,而北方地區尤為明顯。這會導致大面積的永久凍土融化。

  由於永久凍土的關鍵性作用,其消失將引發許多問題。

  苔原是極北方的一片無樹植被平原,覆蓋於永久凍土之上。其土壤固定的碳多達整個地球土壤固碳總量的三分之一。如果永久凍土開始融化,土壤中的植物殘體將開始腐爛分解。這會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入到大氣中,科學家擔心這將加劇全球變暖。

  瓊森相信土壤細菌可以幫助推算植物碳的釋放速率。她在位於華盛頓州里奇蘭得的太平洋西北國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory)擔任微生物學家,專門研究阿拉斯加和格陵蘭島位於北極圈內凍土中的細菌。

  一些氣候學家和土壤學家認為,微生物的存在會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氣體的釋放?瓊森正在努力探索。她說,“瞭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。”

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

  瓊森希望能找出永久凍土中的一種細菌,它能夠自然地吸入空氣中的二氧化碳,並將其儲存在地下(整個過程不會引起氣溫上升)。她說,理解這些細菌的運作機製,甚至能幫助科學家發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,科學家會在永久凍土及其他土壤中添加有用的微生物。這些外援的細菌就能從大氣中吸收更多的二氧化碳,並將其儲存在地下。她希望這將是應對全球變暖的新方法。

  追蹤罪犯

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

  差不多有 20 年的時間,洛娜・道森(Lorna Dawson)都埋頭研究不同類型的土壤構成。2003 年的一天,一名警官來到她的實驗室,讓她幫忙破案。她的職業就此轉變。

  這名警官想要知道,從嫌疑犯長靴底部的泥土,是否可以定位出毒品的藏匿點。

  道森對土壤進行分析,並與實驗室土壤樣品進行比較。她成功地將長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出的林子裡找到了毒品。

  道森解釋說,“多數的戶外犯罪現場都牽扯到土壤。其中有許多隱藏的線索。”第一次幫警察破案的經曆轉移了她的科研重心。如今她成了一位法醫土壤學家。她在詹姆斯・赫頓研究所的實驗室,也成為世界上少有的利用土壤研究協助破案的實驗室之一。它幫助調查人員找到犯罪現場,以及肇事者作案後的去向。留在土壤中的一點點東西都可以提供線索。這些東西可能來自植物、衣服、藻類,甚至是大氣汙染物。

  這並不是一個全新的想法。幾個世紀以來,調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徵上。他們可能會注意觀察顏色,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,一個人對棕色的描述可能會和另一個人有出入。

  道森也意識到了這一點,她通過一些科學方法的應用來確保法醫土壤研究學的準確性。首先,她研究土壤中的有機質。(有機質是指植物或其他生物腐爛後留下的富碳物質。)她可以用色譜和質譜技術辨認出土壤的分子或元素組成。

  這些分析工具使道森得以對十分微量的土壤樣品進行研究。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場還是草地邊界待過。“這個量真的太小了,”她說,“離開犯罪現場的人甚至都不會察覺到。”

  這種微小的線索在結案時或許有舉足輕重的作用。她回想起在 2014 年的一個案件中,她對嫌疑犯長靴下的土壤研究,幫助定罪了蘇格蘭最臭名昭著的連環殺手。這個案子 40 年來都懸而未解。當時兩個 17 歲的少女被殺害。這個案子對道森有著特殊的意義。那是 1977 年,它的發生地距離道森在愛丁堡大學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,是她工作中最有成就感的時刻。“土壤科學,”她補充到,“就像是破案偵查拚圖中的一塊,能伸張正義。”

  揭示過往

  土壤可以幫助偵探尋找犯罪現場,也可以幫助科學家和歷史學家瞭解遙遠的過去。

  基拉・霍夫曼(Kira Hoffman)是加拿大英屬哥倫比亞Victoria大學(University of Victoriain British Columbia)的一名研究生。作為一名群落生態學家,她通過研究生態系統中不同生物體的關係,來更好地理解它們的相互聯繫。

  這是水苔的樣子。從沼澤中開採的水苔富含營養元素,因此許多園丁將其作為土壤營養添加劑。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。

  沼澤並不常見,霍夫曼說。人們對它知之甚少,因此將其看作“不可思議的神秘生態系統”。要到達位於加拿大海岸線附近的研究地點,她需要先劃一小時的獨木舟。

  她所研究的這片沼澤中的土壤可以追溯到 13000 年前。當她不斷挖掘土壤層時,有關那時的植物、動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,她注意到完美的木炭痕跡貫穿於一些層次中。這些木炭就是火的證據。當水苔死亡並開始腐爛時,會形成一種叫做泥炭的土壤。腐爛的植物形成酸性環境,導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定(radio carbondating)的技術。這項技術通過比較兩種形式的碳――碳 12 和碳 14 ――的相對含量,來推測時間。其中碳 14 是具有放射性的。隨著時間推移,它的原子會以已知的速率分解(失去一個或兩個亞原子粒子)。這就使碳 14 轉化為碳 12 。科學家可以利用這兩種形式碳的比例來大致推測含碳物質的年紀。

  霍夫曼表示,通過木炭痕跡和放射性碳年代測定可以證明,加拿大最早的原住民幾千年來都使用火來塑造土地。或許為了更好地看見獵物,他們想將土地燒得一覽無餘。

  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。當時的原住民會吃這些漿果。他們可能用火來修剪這些灌木叢。這會讓漿果長得更豐美多汁。(除去多葉的枝條能使更多的能量用於植株的果實生產中。)

  火有著維持生態系統健康的作用,霍夫曼解釋說,它促使一些植物長得更厚實更穩固。

  “沼澤是這些人的家園。來自土壤的線索呈現出他們的生活方式,”霍夫曼總結道。對於古人的生活方式,她還有一些問題需要解答。她說,土壤或許能為研究人員瞭解加拿大的首批原住民提供幫助,比如他們如何建造房屋,甚至如何處理垃圾。

  “當你仔細注意土壤時,就會發現它特別酷!”她說。霍夫曼鼓勵每一個人探索腳下的土地:“你會開始意識到,小小的一勺土壤中包含著一整個神奇的世界。”

  撰文 LINDSEY KONKEL

  翻譯 楊晚鈺

  審校 張夢茜

  原文鏈接:https://www.sciencenewsforstudents.org/article/cool-jobs-unearthing-secrets-soil

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