“挖”出來的科學：那些土壤告訴我們的事情|觀察
導 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 張夢茜
轉載自“科研圈”微信公號（2017年12月20日）
圖片來源：JURGUTE/ISTOCKPHOTO
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、水和空氣的復雜混合物。它在生產糧食，凈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。
由于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，覆蓋于永久凍土之上。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。她在位于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于北極圈內凍土中的細菌。
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之一。
圖片來源：PNNL
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，“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。”
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。不過瓊森并不需要做這些。她運用了一種叫做宏基因組學（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，并將其儲存在地下（整個過程不會引起氣溫上升）。她說，理解這些細菌的運作機制，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，并將其儲存在地下。她希望這將是應對全球變暖的新方法。
追蹤罪犯
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，并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里找到了毒品。
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歷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，以及肇事者作案后的去向。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，甚至是大氣污染物。
這并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征上。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。
洛娜·道森從長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后留下的富碳物質。）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，“就像是破案偵查拼圖中的一塊，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了解遙遠的過去。
基拉·霍夫曼（Kira Hoffman）是加拿大英屬哥倫比亞維多利亞大學（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系，來更好地理解它們的相互聯系。
這是水苔的樣子。從沼澤中開采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。
沼澤并不常見，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”。要到達位于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于一些層次中。這些木炭就是火的證據。當水苔死亡并開始腐爛時，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。
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于植株的果實生產中。）
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。”
