“赛博格土壤”—揭示我们脚下秘密的微生物大都市

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我们相信，观察土壤中的隐秘世界和其中神秘的原住民可以帮助人们从情感上融入这个重要的生态系统.

来源：环球科学（2021年8月19日）

作者：Edith Hammer

翻译：张楚

审校：郭晓

引进来源：the conversation

转载自中国数字科技馆网站（www.cdstm.cn，2021年8月19日）

实验室中的赛博格土壤（图片来源：Edith Hammer）

从离你最近的土壤中挖一茶匙出来，你会发现，其包含的微生物数量，比地球上的人口总量还多。从实验室研究中，我们了解到了这一点。这些研究通过分析从微生物自然环境中取出的土样，来确定在我们脚下的世界中存在哪些形式的微观生命。

但问题是，这种研究实际上并不能告诉我们，这个由真菌、鞭毛虫和变形虫组成的地下王国是如何运转的。因为要进行这些研究，研究人员需要将土壤从原环境中移出，这破坏了土壤微生物所处的，由泥土、水和空气所构成的微妙结构。

微生物作为有机物回收者的角色是不可或缺的，这促使我的实验开发出一种监视和窥探这些地下工作者的方法，但同时又不干扰其微观栖息地。

我们的研究揭示了土壤中微生物所居住的黑暗、潮湿的城市。我们发现了由微小的高速公路、摩天大楼、桥梁和河流组成的迷宫，这些微生物在迷宫中穿梭以寻找食物，或避免成为其他捕食者的食物。这个新窗口可以帮助我们了解地底世界发生的事情，从而让我们更好地珍惜和保护地球日益受损的土壤。

赛博格土壤

在研究中，我们开发了一种新的“赛博格土壤”，它是半自然半人工的。它由微工程芯片组成，我们将其埋在野外，或在实验室中用土壤将其包围，以便有足够的时间让微生物城市在土壤中出现。

这些芯片实际上就像地下世界的窗户。在原本不透明的土壤中，芯片是一个透明的补丁，它被切割成模仿实际土壤的孔隙结构，这些孔隙结构在微生物的感知范围内往往是奇怪且反直觉的。

同我们熟知的宏观世界相比，微观尺度上，截然不同的物理规律成为了主导。水附着在土壤表面，静止的细菌会被水分子的运动推来推去。由于周围水的表面张力，气泡对许多微生物形成了不可逾越的障碍。

一旦我们将芯片植入土壤，我们就可以观察到微生物在分解过程中的排列情况，揭示它们之间的相互作用、食物网络，以及不同的微生物如何建设它们周围不断变化的微环境。

真菌公路

当我们挖掘出第一块芯片时，我们看到了土壤中存在的所有单细胞生物、线虫、小型节肢动物和各种细菌。真菌菌丝像植物的根一样在地下穿梭，很快就长到了赛博格土壤孔隙所在的深度，在真实的土壤和我们的芯片之间建立了直接的生命联系。

赛博格土壤中的访客，从左到右：泥浆颗粒、真菌菌丝、线虫和微齿动物（图片来源：Edith Hammer）

这意味着我们可以探究一种仅从实验室研究中得知的现象：细菌通过“搭‘真菌公路’的便车”，在土壤中进行扩散。细菌通常通过水进行扩散，因此，通过让一些芯片充满空气，我们可以观察细菌如何跟随真菌菌丝的探索前臂，最终偷渡到新孔隙中。

出乎意料的是，我们还在菌丝周围的空间里发现了大量的原生动物—既不是动物、植物也不是真菌的神秘单细胞生物。显然，它们也搭上了真菌公路的顺风车—这是一个迄今为止完全没有被探索过的现象。

由于我们调查了赛博格土壤芯片内几百条可能的路径，包括几千个单独的孔隙，我们也可以得出量化结论：这种情况经常发生。这表明，菌丝一定是大量浮游微生物扩散的重要载体，这使它们在地下微型城市中觅食时具有重要的优势。

地下工程

在我们的研究中，我们还想探索微生物城市是如何以及通过什么方式被建造的。做到这一点的一个途径是，观察土壤物质如何进入我们的芯片，并在我们放置于地面上的人工结构中创造出真正的土壤空间。

当芯片开始干燥时，我们目睹了水是如何通过土壤孔隙被吸走的：当雨水和阳光干扰它们的微小世界时，土壤中的微生物经常暴露在水体运动的海啸中。土壤矿物质中产生的图案看起来就像我们宏观世界中的河床系统。

此外，塑造土壤微生物栖息地的不仅仅是物理力量。凭借强壮的菌丝尖端，真菌通常像“生态系统工程师”一样，用它们的细胞开辟通道并阻挡外物。它们负责建造微生物大都市中的许多道路、大街和桥梁。

更令人惊讶的是，我们发现其他不太“强壮”的生物体也能改变土壤的微观结构。例如，一种纤毛虫，它拥有用于移动的小型毛发状延伸物，也可以通过大力觅食来推平土壤。

土壤、科学和社会

我们的赛博格土壤研究最终将有助于把野外生态学与可控的实验室研究联系起来。它结合了研究真实、复杂土壤生物群落的优势，同时可以对营养供应、温度等因素进行调控，以便我们可以看到土壤及其微生物对地面变化的反应。

土壤保护措施 （图片来源：Unsplash）

但还有另一个优势。我们相信，观察土壤中的隐秘世界和其中神秘的原住民可以帮助人们从情感上融入这个重要的生态系统。长期以来，其他生态系统都有富有号召力的动物来代表相应的保护措施。但另一方面，土壤仍然与尘土和污垢联系在一起，尽管土壤支持着我们95%的食物生产，并且它们所储存的碳总量是生物圈和大气层总和的两倍以上。

我们想说明的是，当把你的茶匙伸进泥土中时，你正在挖掘一个令人兴奋的秘密大都市的上层，其中包含着地球上四分之一的物种。你勺子里的可爱生物并不肮脏：它们在默默地提供着不可或缺的生态系统服务，以支持地面上所有生命的生存。这些土壤城市中的居民迫切需要更好的保护。

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