“挖”出来的科学：那些土壤告诉我们的事情|观察
导 读
你很容易轻视脚下的泥土。但它的常见并不意味着无趣。
撰文 LINDSEY KONKEL
翻译 杨晚钰
审校 张梦茜
转载自“科研圈”微信公号（2017年12月20日）
图片来源：JURGUTE/ISTOCKPHOTO
人们常常把土壤看作结块的泥土。实际上，土壤中蕴含生机，有微生物，小虫及数不清的其他生物。其丰富多样的组分，能为各行各业的人提供帮助，像是破案人员，人类学家和气候学家。
你很容易轻视脚下的泥土。但它的常见并不意味着无趣。一些研究人员将土壤比作地球的皮肤。
“它是这个星球上最重要的部分，因为它遮盖着一切，”洛娜·道森（Lorna Dawson）说。她是苏格兰阿伯丁的詹姆斯·赫顿研究所（James Hutton Institute）的一名土壤学家。
土壤构成了地表层，是各种矿物、富碳物质、水和空气的复杂混合物。它在生产粮食，净化大气及储存水分等方面都发挥着不可或缺的作用。土壤中还含有动植物分解所剩的残体，蕴藏着数不清的微生物，如细菌和真菌。
土壤中还有大量未解之谜的线索。沼泽深层土壤为古人类的活动提供证据。粘附在鞋上或衣服上的泥土可以帮助科学家寻找罪犯。而远在北极，冻土中的一种细菌将可能保护我们的星球。
深入冻土
珍妮特·琼森（Janet Jansson）在研究一种永久性冻结的土壤。这种被称为永久冻土的土壤（permafrost），覆盖了北极的大部分区域，占北半球土地面积的四分之一。
永久冻土——地极附近的冰冻土壤——含有能从大气中固碳的微生物。
图片来源：Nick Bonzey/Wikimedia Commons (CCBY-SA2.0)
但科学家担忧一些永久冻土将不再“永久”了。近几十年来，人类活动向大气中排放了过量的二氧化碳及其他温室气体。这些气体将热量“封存”在地球表面，使温度上升。不难看出，全球气温都在不断上升，而北方地区尤为明显。这会导致大面积的永久冻土融化。
由于永久冻土的关键性作用，其消失将引发许多问题。
苔原是极北方的一片无树植被平原，覆盖于永久冻土之上。其土壤固定的碳多达整个地球土壤固碳总量的三分之一。如果永久冻土开始融化，土壤中的植物残体将开始腐烂分解。这会将这些植物中固定的碳都释放出来。其中一部分以二氧化碳的形式进入到大气中，科学家担心这将加剧全球变暖。
琼森相信土壤细菌可以帮助推算植物碳的释放速率。她在位于华盛顿州里奇兰得的太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）担任微生物学家，专门研究阿拉斯加和格陵兰岛位于北极圈内冻土中的细菌。
珍妮特·琼森在格陵兰岛附近的海岸航行，这是她研究永久冻土的地点之一。
图片来源：PNNL
一些气候学家和土壤学家认为，微生物的存在会加速永久冻土的融化，促使额外温室气体的释放。然而，一些微生物却可能减缓这一过程。微生物的相互作用如何影响土壤中含碳气体的释放？琼森正在努力探索。她说，“了解其中存在哪些微生物，以及它们的作用，能帮助我们更好地做出推测。”
光是一勺土壤中就可含一百万细菌。这些微生物形成了紧密相连的群落。这使辨认具体的细菌种类变得困难。其中一些细菌在实验室条件下很难培养出来。不过琼森并不需要做这些。她运用了一种叫做宏基因组学（metagenomics）的技术。这帮助她分析出土壤样本中的遗传物质。通过一系列的基因，她能辨认出大多数的土壤细菌。
琼森希望能找出永久冻土中的一种细菌，它能够自然地吸入空气中的二氧化碳，并将其储存在地下（整个过程不会引起气温上升）。她说，理解这些细菌的运作机制，甚至能帮助科学家发明出降低大气二氧化碳浓度的新方法。
举例来说，或许有一天，科学家会在永久冻土及其他土壤中添加有用的微生物。这些外援的细菌就能从大气中吸收更多的二氧化碳，并将其储存在地下。她希望这将是应对全球变暖的新方法。
追踪罪犯
图片来源：svf74/iStockphoto
泥土研究圈也有福尔摩斯式的传奇：从粘附在轮子、工具或长靴上的微量泥土中推断出一个人去过的地方，珍妮特·琼森这样的科学家就能够做到。
差不多有 20 年的时间，洛娜·道森（Lorna Dawson）都埋头研究不同类型的土壤构成。2003 年的一天，一名警官来到她的实验室，让她帮忙破案。她的职业就此转变。
这名警官想要知道，从嫌疑犯长靴底部的泥土，是否可以定位出毒品的藏匿点。
道森对土壤进行分析，并与实验室土壤样品进行比较。她成功地将长靴上泥土中的一种植物分子与一片树林匹配上了。这位警官真的在道森测出的林子里找到了毒品。
道森解释说，“多数的户外犯罪现场都牵扯到土壤。其中有许多隐藏的线索。”第一次帮警察破案的经历转移了她的科研重心。如今她成了一位法医土壤学家。她在詹姆斯·赫顿研究所的实验室，也成为世界上少有的利用土壤研究协助破案的实验室之一。它帮助调查人员找到犯罪现场，以及肇事者作案后的去向。留在土壤中的一点点东西都可以提供线索。这些东西可能来自植物、衣服、藻类，甚至是大气污染物。
这并不是一个全新的想法。几个世纪以来，调查人员都在利用土壤破案。在阿瑟·柯南·道尔 1887 年的侦探小说《血字的研究》中，土壤的作用就被陈述出来。华生记录到，通过土壤的颜色，夏洛克·福尔摩斯能将裤子上溅的泥泞与伦敦不同区域匹配起来。
但是许多年来，侦探都将重心放在土壤的物理特征上。他们可能会注意观察颜色，感受黏度，以及其瓦解的难易程度。可惜这些线索不总是可信的。举例来说，一个人对棕色的描述可能会和另一个人有出入。
洛娜·道森从长靴的泥土中找到罪犯的线索。
图片来源：The James Hutton Institute
道森也意识到了这一点，她通过一些科学方法的应用来确保法医土壤研究学的准确性。首先，她研究土壤中的有机质。（有机质是指植物或其他生物腐烂后留下的富碳物质。）她可以用色谱和质谱技术辨认出土壤的分子或元素组成。
这些分析工具使道森得以对十分微量的土壤样品进行研究。比方说，她只需 20 微克（大约一颗米的重量）的土壤，就能说出嫌疑人之前是在农场还是草地边界待过。“这个量真的太小了，”她说，“离开犯罪现场的人甚至都不会察觉到。”
这种微小的线索在结案时或许有举足轻重的作用。她回想起在 2014 年的一个案件中，她对嫌疑犯长靴下的土壤研究，帮助定罪了苏格兰最臭名昭著的连环杀手。这个案子 40 年来都悬而未解。当时两个 17 岁的少女被杀害。这个案子对道森有着特殊的意义。那是 1977 年，它的发生地距离道森在爱丁堡大学的宿舍只有一街之遥。这件事让她晚上都不敢出门。道森说能够站在法庭上为案件提供证据，是她工作中最有成就感的时刻。“土壤科学，”她补充到，“就像是破案侦查拼图中的一块，能伸张正义。”
揭示过往
土壤可以帮助侦探寻找犯罪现场，也可以帮助科学家和历史学家了解遥远的过去。
基拉·霍夫曼（Kira Hoffman）是加拿大英属哥伦比亚维多利亚大学（University of Victoriain British Columbia）的一名研究生。作为一名群落生态学家，她通过研究生态系统中不同生物体的关系，来更好地理解它们的相互联系。
这是水苔的样子。从沼泽中开采的水苔富含营养元素，因此许多园丁将其作为土壤营养添加剂。
图片来源：tortoon/iStockphoto
研究让她来到了加拿大沿海热带雨林的沼泽中。沼泽是一种土质柔软的湿地。它们往往充满了一种叫做水苔（sphagnum）的苔藓。它像海绵一样吸收水分。
沼泽并不常见，霍夫曼说。人们对它知之甚少，因此将其看作“不可思议的神秘生态系统”。要到达位于加拿大海岸线附近的研究地点，她需要先划一小时的独木舟。
她所研究的这片沼泽中的土壤可以追溯到 13000 年前。当她不断挖掘土壤层时，有关那时的植物、动物以及周围生活人类的线索都向她展开。霍夫曼在土地上挖出很大的洞，这样可以看到土壤层次。在泥炭中挖掘时，她注意到完美的木炭痕迹贯穿于一些层次中。这些木炭就是火的证据。当水苔死亡并开始腐烂时，会形成一种叫做泥炭的土壤。腐烂的植物形成酸性环境，导致湿地中的泥炭分解十分缓慢。因此，沼泽中的泥炭可以保留几千年前的线索，霍夫曼解释道。
为了知道这些火燃烧的年份，她使用了一种叫做放射性碳年代测定（radio carbondating）的技术。这项技术通过比较两种形式的碳——碳 12 和碳 14 ——的相对含量，来推测时间。其中碳 14 是具有放射性的。随着时间推移，它的原子会以已知的速率分解（失去一个或两个亚原子粒子）。这就使碳 14 转化为碳 12 。科学家可以利用这两种形式碳的比例来大致推测含碳物质的年纪。
基拉·霍夫曼从泥炭沼泽中采集土壤，以探究生活在这里的古人。她头上带着网罩，为避免蚊虫和其他沼泽生物的叮咬。
图片来源：Kira Hoffman
霍夫曼表示，通过木炭痕迹和放射性碳年代测定可以证明，加拿大最早的原住民几千年来都使用火来塑造土地。或许为了更好地看见猎物，他们想将土地烧得一览无余。
沼泽中还含有各种各样的浆果——蔓越莓，越橘莓还有美洲大树莓。当时的原住民会吃这些浆果。他们可能用火来修剪这些灌木丛。这会让浆果长得更丰美多汁。（除去多叶的枝条能使更多的能量用于植株的果实生产中。）
火有着维持生态系统健康的作用，霍夫曼解释说，它促使一些植物长得更厚实更稳固。
“沼泽是这些人的家园。来自土壤的线索呈现出他们的生活方式，”霍夫曼总结道。对于古人的生活方式，她还有一些问题需要解答。她说，土壤或许能为研究人员了解加拿大的首批原住民提供帮助，比如他们如何建造房屋，甚至如何处理垃圾。
“当你仔细注意土壤时，就会发现它特别酷！”她说。霍夫曼鼓励每一个人探索脚下的土地：“你会开始意识到，小小的一勺土壤中包含着一整个神奇的世界。”
