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那些土壤告訴我們的科學“挖”出來的

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    2015-1-3 10:48
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    [LV.2]偶爾看看I

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    發表於 2018-7-18 11:28:06 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
    那些土壤告訴我們的科學“挖”出來的

    人們經常把土壤看做結塊的土壤。現實上,土壤中包含朝氣,有微生物,小蟲及數不清的其他生物。其豐富多樣的組分,能為各行各業的人供給幫助,像是破案職員,人類學家和天氣學家。

    你很輕易輕視腳下的土壤。但它的常見並不意味著無趣。一些研討職員將土壤比作地球的皮膚。

    “它是這個星球上最重要的部分,由於它粉飾著一切,”洛娜€€道森(Lorna Dawson)說。她是甦格蘭阿伯丁的詹姆斯€€赫頓研討所(James Hutton Institute)的一位土壤學家。

    土壤組成了地表層,是各類礦物、富碳物資、水和空氣的復雜夾雜物。它在生產食糧,淨化大氣及貯存水份等方面都發揮著不成或缺的感化。土壤中還含有動動物分化所剩的殘體,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。沼澤深層土壤為前人類的活動供給證據。粘附在鞋上或衣服上的土壤可以幫助科學家尋覓罪犯。而遠在北極,凍土中的一種細菌將能夠庇護我們的星球。

    深入凍土

    珍妮特€€瓊森(Janet Jansson)在研討一種永久性解凍的土壤。這類被稱為永久凍土的土壤(permafrost),覆蓋了北極的大部分地區,佔北半球地盤面積的四分之一。

    那些土壤告訴我們的科學“挖”出來的

    永久凍土€€€€地極四周的冰凍土壤€€€€含有能從大氣中固碳的微生物。圖片來歷︰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,人類活意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”在地球概況,使溫度上升。不丟臉出,全球氣溫都在不竭上升,而北方地域尤其明顯。這會致使大面積的永久凍土融化。

    由于永久凍土的關鍵性感化,其消失將激發很多題目。

    苔原是極北方的一片無樹植被平原,覆蓋于永久凍土之上。其土壤牢固的碳多達全部地球土壤固碳總量的三分之一。假如永久凍土起頭融化,土壤中的動物殘體將起頭腐臭分化。這會將這些動物中牢固的碳都開釋出來。其中一部分以二氧化碳的形式進入到大氣中,科學家擔憂這將加重全球變暖。

    瓊森相信土壤細菌可以幫助推算動物碳的開釋速度。她在位于華盛頓鄉鎮奇蘭得的承平洋西北國家嘗試室(Pacific Northwest National Laboratory)擔任微生物學家,專門研討阿拉斯加和格陵蘭島位于北極圈內凍土中的細菌。

    一些天氣學家和土壤學家以為,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開釋。但是,一些微生物卻能夠減緩這一進程。微生物的相互感化若何影響土壤中含碳氣體的開釋?瓊森正在盡力摸索。她說,“了解其中存在哪些微生物,以及它們的感化,能幫助我們更好地做出猜測。”

    光是一勺土壤中便可含一百萬細菌。這些微生物構成了慎密相連的群落。這使識別具體的細菌品種變得困難。其中一些細菌在嘗試室條件下很難培育出來。不外瓊森並不需要做這些。她應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資。經過一系列的基因,她能識別出大大都的土壤細菌。

    瓊森希望能找出永久凍土中的一種細菌,它可以自然地吸入空氣中的二氧化碳,並將其貯存在地下(全部進程不會引發氣溫上升)。她說,瞭解這些細菌的運作機制,甚至能幫助科學家發現出下降大氣二氧化碳濃度的新方式。

    舉例來說,也許有一天,科學家會在永久凍土及其他土壤中增加有用的微生物。這些外助的細菌就能從大氣中吸收更多的二氧化碳,並將其貯存在地下。她希望這將是應對全球變暖的新方式。

    追蹤罪犯

    土壤研討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土壤中揣度出一小我去過的地方,珍妮特€€瓊森這樣的科學家就可以做到。

    差不多有 20 年的時候,洛娜€€道森(Lorna Dawson)都埋頭研討分歧範例的土壤組成。2003 年的一天,一位警官來到她的嘗試室,讓她幫手破案。她的職業就此改變。

    這名警官想要曉得,從懷疑犯長靴底部的土壤,能否可以定位出毒品的藏匿點。

    道森對土壤停止分析,並與嘗試室土壤樣品停止比力。她成功地將長靴上土壤中的一種動物份子與一片樹林婚配上了。這位警官真的在道森測出的林子里找到了毒品。

    道森詮釋說,“大都的戶外犯罪現場都牽扯到土壤。其中有很多隱藏的線索。”第一次幫差人破案的履歷轉移了她的科研重心。現在她成了一位法醫土壤學家。她在詹姆斯€€赫頓研討所的嘗試室,也成為天下上少有的操縱土壤研討輔佐破案的嘗試室之一。它幫助觀察職員找到犯罪現場,以及闖禍者作案後的去向。留在土壤中的一點點工具都可以供給線索。這些工具能夠來自動物、衣服、藻類,甚至是大氣淨化物。

    這並不是一個全新的想法。幾個世紀以來,觀察職員都在操縱土壤破案。在阿瑟€€柯南€€道爾 1887 年的偵察小說《血字的研討》中,土壤的感化就被陳說出來。華生記錄到,經過土壤的色彩,夏洛克€€福爾摩斯能將褲子上濺的泥濘與倫敦分歧地區婚配起來。

    可是很多年來,偵察都將重心放在土壤的物理特征上。他們能夠會留意觀察色彩,感受黏度,以及其崩潰的難易水平。惋惜這些線索不總是可信的。舉例來說,一小我對棕色的描寫能夠會和另一小我有收支。

    道森也意想到了這一點,她經過一些科學方式的利用來確保法醫土壤研討學的正確性。首先,她研討土壤中的有機質。(有機質是指動物或其他生物腐臭後留下的富碳物資。)她可以用色譜和質譜技術識別出土壤的份子或元素組成。

    這些分析工具使道森得以對非常微量的土壤樣品停止研討。例如說,她只需 20 微克(大約一顆米的重量)的土壤,就能說出懷疑人之前是在農場還是草地鴻溝待過。“這個量真的太小了,”她說,“分開犯罪現場的人甚至都不會發覺到。”

    這類細小的線索在了案時也許有無足輕重的感化。她回憶起在 2014 年的一個案件中,她對懷疑犯長靴下的土壤研討,幫助科罪了甦格蘭最污名昭著的連環殺手。這個案子 40 年來都懸而未解。那時兩個 17 歲的少女被殺戮。這個案子對道森有著特別的意義。那是 1977 年,它的發生地間隔道森在愛丁堡大學的宿舍只要一街之遙。這件事讓她早晨都不敢出門。道森說可以站在法庭上為案件供給證據,是她工作中最有成就感的時辰。“土壤科學,”她補充到,“就像是破案偵察拼圖中的一塊,能蔓延正義。”

    揭露過往

    土壤可以幫助偵察尋覓犯罪現場,也可以幫助科學家和歷史學家了解悠遠的曩昔。

    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)的一位研討生。作為一位群落生態學家,她經過研討生態系統平分歧生物體的關系,來更好地瞭解它們的相互聯系。

    那些土壤告訴我們的科學“挖”出來的

    這是水苔的樣子。從沼澤中開采的水苔富含營養元素,是以很多園丁將其作為土壤營養增加劑。圖片來歷︰tortoon/iStockphoto

    研討讓她來到了加拿大沿海熱帶雨林的沼澤中。沼澤是一種土質柔嫩的濕地。它們常常佈滿了一種叫做水苔(sphagnum)的苔蘚。它像海綿一樣吸收水份。

    沼澤並不常見,霍夫曼說。人們對它知之甚少,是以將其看做“不成思議的奧秘生態系統”。要到達位于加拿大海岸線四周的研討地址,她需要先齊截小時的獨木舟。

    她所研討的這片沼澤中的土壤可以追溯到 13000 年前。當她不竭挖掘土壤層時,有關那時的動物、動物以及四周生活人類的線索都向她展開。霍夫曼在地盤上挖出很大的洞,這樣可以看到土壤條理。在泥炭中挖掘時,她留意到完善的木炭痕跡貫串于一些條理中。這些木炭就是火的證據。當水苔滅亡並起頭腐臭時,會構成一種叫做泥炭的土壤。腐臭的動物構成酸性情況,致使濕地中的泥炭分化非常緩慢。是以,沼澤中的泥炭可以保存幾千年前的線索,霍夫曼詮釋道。

    為了曉得這些火熄滅的年份,她利用了一種叫做放射性碳年月測定(radio carbondating)的技術。這項技術經過比力兩種形式的碳€€€€碳 12 和碳 14 €€€€的相對含量,來猜測時候。其中碳 14 是具有放射性的。隨著時候推移,它的原子會以已知的速度分化(落空一個或兩個亞原子粒子)。這就使碳 14 轉化為碳 12 。科學家可以操縱這兩種形式碳的比例來大致猜測含碳物資的年數。

    霍夫曼暗示,經過木炭痕跡和放射性碳年月測定可以證實,加拿大最早的原居民幾千年來都利用火來塑造地盤。也許為了更好地看見獵物,他們想將地盤燒得一覽無余。

    沼澤中還含有各類百般的漿果€€€€蔓越莓,越橘莓還有美洲大樹莓。那時的原居民會吃這些漿果。他們能夠用火來修剪這些灌木叢。這會讓漿果長得更豐美多汁。(撤除多葉的枝條能使更多的能量用于植株的果實生產中。)

    火有著保持生態系統健康的感化,霍夫曼詮釋說,它促使一些動物長得更豐富更安定。

    “沼澤是這些人的故里。來自土壤的線索顯現出他們的生活方式,”霍夫曼總結道。對于前人的生活方式,她還有一些題目需要解答。她說,土壤也許能為研討職員了解加拿大的首批原居民供給幫助,比如他們若何建造衡宇,甚至若何處置渣滓。

    “當你仔細留意土壤時,就會發現它出格酷!”她說。霍夫曼激勵每一小我摸索腳下的地盤︰“你會起頭意想到,小小的一勺土壤中包括著一全部奇異的天下。”

     

                                                      
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