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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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宁静表土下的昆虫世界

2017-05-31 11:29:00

在美国俄勒冈州,有一片名为安德鲁实验森林的原始森林, 它是地球温带森林中物种最丰富的地方之一,可与热带森林媲美,其中仅昆虫种类就有七八千种。 这些昆虫悄无声息却有条不紊地生活在森林这片静谧的土壤中,虽然有些渺小得连我们的肉眼都难以分辨,但它们却承担着分解土壤中有机物的重任,维系着植物的生存命脉。 这就是大自然不可思议的奇妙之处,微不足道的小昆虫竟然决定着参天大树的命运。

30多年前,美国俄勒冈州立大学的系统生物科学研究所主任约翰·伊登,在关注太平洋北部斑纹猫头鹰与古老林木的依存关系时,开始涉足安德鲁实验森林。这里每一立方米土壤中有20万个相同亚目的小虫子很快就吸引了他的注意力。 约翰·伊登决定放弃原来的课题,开始专门研究森林昆虫的生存奥秘, 以及它们与森林土壤之间的关系。

维护大生态的小功臣

说到决定森林植被葱郁茂盛的条件,人们首先想到的自然是阳光和水,但却忽视了肥沃的土壤这个关键因素。 有时候,在一片繁茂的森林附近,也许就是一块干燥贫瘠的山脊,两者间的生物多样性相差甚远。是什么决定了这一切? 这就是看似平常的土壤了。

何谓生物多样性?它是在一定时间和一定地区内所有生物(包括植物、动物和微生物)物种及其遗传变异和生态系统复杂性的总称,主要包括遗传(基因) 多样性、物种多样性、生态系统多样性三个层次,而这一系统的大背景之一也同样是土壤。

数以亿计的昆虫,如蜘蛛、蜈蚣和各种说不上名的小虫子及其他无脊椎动物,通过自我的回收功能,造福了整个生态系统。

它们能够处理数以吨计的有机垃圾和碎片,包括寿终正寝的大树和地面上的苔藓。 它们可以轻松地将其分解为细小的碎片,利用自己消化道内的细菌和真菌,将这些细碎的有机物加工成基本的营养物质。而植物就会像人类进餐一样,直接吸收这些营养物质,借以生长壮大,进而构成一个完整、健康的生态系统。

约翰·伊登曾率领自己的科研团队利用卫星激光成像数据,对森林的保护价值进行了长期跟踪评估。 由于采用了全新的检测方法,研究人员在分析土壤标本和森林土壤的生态系统时,基本可以获得比较真实准确的结果。但是,对于数千种昆虫是如何生存的,以及它们之间的相互关系,科学家还不是很清楚。

如何还原它们的生活

蜻蜓头部特写

为此,约翰·伊登的科研团队借鉴地理学家研究土壤的方法,发明了一种最新的检测方法——薄切片显微镜法。正是这种方法使他们了解了温带森林的土壤结构,并发现土壤的生物学和化学性质的运动是由依赖土壤为生的昆虫们所决定的。

瞄准猎物的巨型蜘蛛

薄切片显微镜检测方法并不复杂:先在一个压力箱中将环氧物质巧妙地掺入到需要检测 的土壤标本中。当环氧物质变硬时,再将其切成打印纸般厚度的薄片, 随后打磨抛光,最后在显微镜下仔细观察薄片内的物质结构。

这种方法很好地保存了土壤的完整构成,从已经腐烂的大块植物残骸到细小土壤颗粒都会被完整保留,连一根部分腐烂的松针的全部细节都清晰可见。

约翰·伊登说:“当我们放大这枚‘松针’时惊奇地发现,它竟然是由无数个显然是排泄物的小圆球构成的。 原来,在这个松针落地不久,一些千足虫就立刻‘占领’了它,并把它咬碎吃进了肚子,然后以排泄物的形式将其重新排列在松针原先所在的位置上。”

“在显微镜下仔细观察,我们发现这些小球只不过是一些被切割好的植物细胞,它们犹如一种独特的植物拼图的小碎块,这些小球最后又会成为其他昆虫的食物,进入到下一次的循环中。”

众所周知,细胞组织不能在水中分解,而有机物中的营养元素必须分解,而后才能被植物的根茎所吸收。

为了保证地球生态系统的持久健康,小小的昆虫们勇敢地担起了这个重任。 当然,这也是它们繁衍生存的需要。

这条繁复的食物链非常隐蔽——每个昆虫都会从活细胞中吸取极小一部分营养物作为 己的食物。 在此过程中,每一个昆虫又都会使土壤的微表层暴露在具有分解作用的细菌下,而这些细菌则会进一步分解那些小球表面的有机物,并将它们变成可溶的化合物,为之后的昆虫提供食物。 这样一来,那些不可分解的细胞物质,一律变成了可溶解的营养物质,为地球植物源源不断地输送着养料,从而造就了生机盎然、生生不息的绿色生态。

500年太短

科学界有一段广为流传的话:我们对月球的了解已经超过了我们对深海世界的了解。 事实上,我们对脚下土地的了解可能还不如深海呢!也许正是司空见惯和视而不见,磨平了我们对土地的探究热情。

一个多世纪以来,我们对森林土壤中生物群的了解并没有太大提高,就好像森林和土壤与人类的生存发展没有多大关系似的,的确令人匪夷所思。究其原因,是很多人错误地认为,只有看得见的地上部分才是生态系统的主要组成部分,而地下生物圈是微不足道的。可是,我们一旦失去健康和谐的沃土,蓝天再深邃美妙,对我们又有什么意义呢?

借助计算机的帮助,约翰·伊登团队对森林土壤的研究取得了重大成果。 他们将在美国40个州的数百个林地采集到的成千上万种节肢动物的资料,录入计算机并对其分析归类,从而根据它们的生存状态探究其所生存的这片森林的现状,预测其发展趋势。

比如,如果土壤中出现一种橘黄色的小虫子且数量巨大,就表明这些土壤取自相对干燥、年轻的森林, 同时说明这片森林已经35年没有获得充足的降水;如果土壤中存在花背乌龟形状的小虫子,则说明它们出自比较湿润、古老的森林, 日后林木的长势将会蓄积强劲。约翰·伊登透露,他们的下一个目标是通过节肢动物的生存状态,了解温室气体和杀虫剂对它们所处林地的具体影响。

约翰·伊登经常表示,这个领域的演变过程是极其缓慢的,“我们已经发现,哥伦布登上美洲大陆时倒下的一些树木,才刚刚被昆虫们分解完成。”

500多年的时间,对于人类而言非常漫长,但对于这些昆虫和它们所在的土壤而言,或许只是转瞬之间。

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