導(dǎo) 讀
我們相信，觀察土壤中的隱秘世界和其中神秘的原住民可以幫助人們從情感上融入這個重要的生態(tài)系統(tǒng).
來源：環(huán)球科學(xué)（2021年8月19日）
作者：Edith Hammer
翻譯：張楚
審校：郭曉
引進(jìn)來源：the conversation
轉(zhuǎn)載自中國數(shù)字科技館網(wǎng)站（www.cdstm.cn，2021年8月19日）
實驗室中的賽博格土壤（圖片來源：Edith Hammer）
從離你最近的土壤中挖一茶匙出來，你會發(fā)現(xiàn)，其包含的微生物數(shù)量，比地球上的人口總量還多。從實驗室研究中，我們了解到了這一點。這些研究通過分析從微生物自然環(huán)境中取出的土樣，來確定在我們腳下的世界中存在哪些形式的微觀生命。
但問題是，這種研究實際上并不能告訴我們，這個由真菌、鞭毛蟲和變形蟲組成的地下王國是如何運轉(zhuǎn)的。因為要進(jìn)行這些研究，研究人員需要將土壤從原環(huán)境中移出，這破壞了土壤微生物所處的，由泥土、水和空氣所構(gòu)成的微妙結(jié)構(gòu)。
微生物作為有機物回收者的角色是不可或缺的，這促使我的實驗開發(fā)出一種監(jiān)視和窺探這些地下工作者的方法，但同時又不干擾其微觀棲息地。
我們的研究揭示了土壤中微生物所居住的黑暗、潮濕的城市。我們發(fā)現(xiàn)了由微小的高速公路、摩天大樓、橋梁和河流組成的迷宮，這些微生物在迷宮中穿梭以尋找食物，或避免成為其他捕食者的食物。這個新窗口可以幫助我們了解地底世界發(fā)生的事情，從而讓我們更好地珍惜和保護(hù)地球日益受損的土壤。
賽博格土壤
在研究中，我們開發(fā)了一種新的“賽博格土壤”，它是半自然半人工的。它由微工程芯片組成，我們將其埋在野外，或在實驗室中用土壤將其包圍，以便有足夠的時間讓微生物城市在土壤中出現(xiàn)。
這些芯片實際上就像地下世界的窗戶。在原本不透明的土壤中，芯片是一個透明的補丁，它被切割成模仿實際土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，這些孔隙結(jié)構(gòu)在微生物的感知范圍內(nèi)往往是奇怪且反直覺的。
同我們熟知的宏觀世界相比，微觀尺度上，截然不同的物理規(guī)律成為了主導(dǎo)。水附著在土壤表面，靜止的細(xì)菌會被水分子的運動推來推去。由于周圍水的表面張力，氣泡對許多微生物形成了不可逾越的障礙。
一旦我們將芯片植入土壤，我們就可以觀察到微生物在分解過程中的排列情況，揭示它們之間的相互作用、食物網(wǎng)絡(luò)，以及不同的微生物如何建設(shè)它們周圍不斷變化的微環(huán)境。
真菌公路
當(dāng)我們挖掘出第一塊芯片時，我們看到了土壤中存在的所有單細(xì)胞生物、線蟲、小型節(jié)肢動物和各種細(xì)菌。真菌菌絲像植物的根一樣在地下穿梭，很快就長到了賽博格土壤孔隙所在的深度，在真實的土壤和我們的芯片之間建立了直接的生命聯(lián)系。
賽博格土壤中的訪客，從左到右：泥漿顆粒、真菌菌絲、線蟲和微齒動物（圖片來源：Edith Hammer）
這意味著我們可以探究一種僅從實驗室研究中得知的現(xiàn)象：細(xì)菌通過“搭'真菌公路’的便車”，在土壤中進(jìn)行擴(kuò)散。細(xì)菌通常通過水進(jìn)行擴(kuò)散，因此，通過讓一些芯片充滿空氣，我們可以觀察細(xì)菌如何跟隨真菌菌絲的探索前臂，最終偷渡到新孔隙中。
出乎意料的是，我們還在菌絲周圍的空間里發(fā)現(xiàn)了大量的原生動物—既不是動物、植物也不是真菌的神秘單細(xì)胞生物。顯然，它們也搭上了真菌公路的順風(fēng)車—這是一個迄今為止完全沒有被探索過的現(xiàn)象。
由于我們調(diào)查了賽博格土壤芯片內(nèi)幾百條可能的路徑，包括幾千個單獨的孔隙，我們也可以得出量化結(jié)論：這種情況經(jīng)常發(fā)生。這表明，菌絲一定是大量浮游微生物擴(kuò)散的重要載體，這使它們在地下微型城市中覓食時具有重要的優(yōu)勢。
地下工程
在我們的研究中，我們還想探索微生物城市是如何以及通過什么方式被建造的。做到這一點的一個途徑是，觀察土壤物質(zhì)如何進(jìn)入我們的芯片，并在我們放置于地面上的人工結(jié)構(gòu)中創(chuàng)造出真正的土壤空間。
當(dāng)芯片開始干燥時，我們目睹了水是如何通過土壤孔隙被吸走的：當(dāng)雨水和陽光干擾它們的微小世界時，土壤中的微生物經(jīng)常暴露在水體運動的海嘯中。土壤礦物質(zhì)中產(chǎn)生的圖案看起來就像我們宏觀世界中的河床系統(tǒng)。
此外，塑造土壤微生物棲息地的不僅僅是物理力量。憑借強壯的菌絲尖端，真菌通常像“生態(tài)系統(tǒng)工程師”一樣，用它們的細(xì)胞開辟通道并阻擋外物。它們負(fù)責(zé)建造微生物大都市中的許多道路、大街和橋梁。
更令人驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)其他不太“強壯”的生物體也能改變土壤的微觀結(jié)構(gòu)。例如，一種纖毛蟲，它擁有用于移動的小型毛發(fā)狀延伸物，也可以通過大力覓食來推平土壤。
土壤、科學(xué)和社會
我們的賽博格土壤研究最終將有助于把野外生態(tài)學(xué)與可控的實驗室研究聯(lián)系起來。它結(jié)合了研究真實、復(fù)雜土壤生物群落的優(yōu)勢，同時可以對營養(yǎng)供應(yīng)、溫度等因素進(jìn)行調(diào)控，以便我們可以看到土壤及其微生物對地面變化的反應(yīng)。
土壤保護(hù)措施 （圖片來源：Unsplash）
但還有另一個優(yōu)勢。我們相信，觀察土壤中的隱秘世界和其中神秘的原住民可以幫助人們從情感上融入這個重要的生態(tài)系統(tǒng)。長期以來，其他生態(tài)系統(tǒng)都有富有號召力的動物來代表相應(yīng)的保護(hù)措施。但另一方面，土壤仍然與塵土和污垢聯(lián)系在一起，盡管土壤支持著我們95%的食物生產(chǎn)，并且它們所儲存的碳總量是生物圈和大氣層總和的兩倍以上。
我們想說明的是，當(dāng)把你的茶匙伸進(jìn)泥土中時，你正在挖掘一個令人興奮的秘密大都市的上層，其中包含著地球上四分之一的物種。你勺子里的可愛生物并不骯臟：它們在默默地提供著不可或缺的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，以支持地面上所有生命的生存。這些土壤城市中的居民迫切需要更好的保護(hù)。
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