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圖片來源：JURGUTE/ISTOCKPHOTO

撰文  LINDSEY KONKEL

翻譯  楊晚鈺

審校  張夢茜

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。”

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(shù)的戶外犯罪現(xiàn)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(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，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?？上н@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(xiàn)場，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養(yǎng)元素，因此許多園丁將其作為土壤營養(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?；舴蚵谕恋厣贤诔龊艽蟮亩?，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 。科學(xué)家可以利用這兩種形式碳的比例來大致推測含碳物質(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?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旆课荩踔寥绾翁幚砝?/p>

“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?；舴蚵膭?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。”