誰是地下的最強(qiáng)“吃貨”？土壤動(dòng)物食物網(wǎng)告訴你

出品：科普中國

作者：常亮 張莎（中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所）喬雨（鋆昕儀器科技（上海）有限公司）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

當(dāng)我們漫步在綠意盎然的森林，或是踏過金黃的麥田時(shí)，常常會(huì)忽略腳下還有一個(gè)充滿生機(jī)的“地下王國”，那里居住著一群“吃貨”——土壤動(dòng)物。

雖然體型微小，但土壤動(dòng)物以及土壤動(dòng)物的食物網(wǎng)卻對生態(tài)系統(tǒng)的健康起著重要的作用。

今天，就讓我們一起化身福爾摩斯，一同揭開這樁發(fā)生在神秘地下世界的謎案——土壤動(dòng)物中，究竟誰吃了誰？

顯微鏡下的土壤動(dòng)物

（圖片來源：Eidg.WSL研究所）

地下“吃貨”分三類，最大的只有幾厘米

在破解這樁“誰吃了誰”的地下謎案前，我們先來看看這樁案件中的“當(dāng)事人”們有哪些：

土壤動(dòng)物被稱為“吃貨”，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^攝取土壤中的有機(jī)物、微生物或其他動(dòng)物，幫助分解物質(zhì)和循環(huán)養(yǎng)分。雖然它們體型小、不起眼，但對土壤健康和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。根據(jù)體型大小，可以將土壤動(dòng)物分為：

1.小型土壤動(dòng)物：體寬在100μm以下的，包括線蟲、原生動(dòng)物、輪蟲等；

2.中型土壤動(dòng)物：體寬在100μm-2mm之間的，包括螨類、跳蟲、原尾蟲、雙尾蟲、線蚓等；

3.大型土壤動(dòng)物：體寬大于2mm的為大型土壤動(dòng)物，包括蚯蚓、蜘蛛、甲蟲、唇足類等；

土壤動(dòng)物的食物網(wǎng)是生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)，盡管它們很小，但它們的活動(dòng)會(huì)直接影響土壤肥力、植物生長以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，研究土壤動(dòng)物可以幫助我們更好地了解和保護(hù)土壤及其生態(tài)系統(tǒng)。

常見的土壤動(dòng)物分類

（圖片來源: Paul E A.,2007）

如何尋覓這些“吃貨”呢？

然而，這些“吃貨”中體型最大的也不過幾厘米，科學(xué)家們是如何在土壤中找到小巧玲瓏的它們，進(jìn)而研究土壤動(dòng)物食物網(wǎng)的呢？

蹲點(diǎn)、捉拿、解剖，簡單粗暴但不足以“破案”

如果足夠“眼疾手快”，野外直接觀察法無疑是最直觀快速的一種方法?？茖W(xué)家們只需要靜靜蹲守，就能在土壤中找到這些“嫌疑人”的蹤跡，進(jìn)而觀察并捕捉到它們的捕食行為。但這種方法通常只適用于蜘蛛、蚯蚓這種肉眼容易發(fā)現(xiàn)的大型土壤動(dòng)物，對于那些微小或深藏在土壤中的動(dòng)物，直接觀察起來就有些困難了。

蜘蛛對不同獵物的捕食瞬間

（圖片來源：veer圖庫）

除了在野外直接觀察，將土壤動(dòng)物捕捉并帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培養(yǎng)和觀察也是一種常用的研究方法。就像我們在家里給寵物喂食一樣，科學(xué)家也會(huì)給它們提供食物，通過觀察它們的飲食習(xí)慣來確定這些“吃貨”愛吃什么，從而鎖定“嫌疑人”，推斷它們在食物網(wǎng)中的位置。

雖然這種方法直觀有效，但實(shí)驗(yàn)室無法完全模擬野外的環(huán)境，因此，無法保證“吃貨”們在實(shí)驗(yàn)室與在野外的進(jìn)食習(xí)慣相同，室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)觀察法的準(zhǔn)確性還需要進(jìn)一步確定。

當(dāng)然，除了直接觀察這些“吃貨”們吃了什么、怎么吃以外，最直接的方法還是讓土壤動(dòng)物“自證清白”。

顯微鏡下腸容物分析法就是讓科學(xué)家們通過高超的“醫(yī)術(shù)”解剖這些土壤動(dòng)物，并用顯微鏡仔細(xì)觀察它們肚子里的食物殘?jiān)?，以此來判斷它們吃了什么?/p>

通過這種方法，科學(xué)家們可以精確地了解這些小動(dòng)物的飲食習(xí)慣。不過，腸容物只能反映動(dòng)物最近吃的東西，而且一些容易消化的食物可能會(huì)被忽略，因此這種方法容易造成“誤判”。

蚯蚓腸道中的微塑料

（圖片來源：Ke Meng et al.,2023）

誰吃了誰？化學(xué)手段來“破案”

以上這些方法都是通過觀察土壤動(dòng)物的取食行為來確定食物網(wǎng)的，但都存在一定的局限。因此，科學(xué)家們想到，從“吃貨”們吃進(jìn)肚子里的食物入手，開發(fā)了一些更加高效、準(zhǔn)確的食物網(wǎng)研究方法。

消化酶分析法是通過分析土壤動(dòng)物體內(nèi)的消化酶，來推斷它們的食性的一種方法。動(dòng)物體內(nèi)有不同種類的消化酶，每種消化酶各司其職地負(fù)責(zé)消化一類或幾類食物，因此，這種方法就像是用一把鑰匙打開了一個(gè)鎖，讓我們能夠更深入地了解這些土壤動(dòng)物的飲食習(xí)慣。例如，研究發(fā)現(xiàn)赤子愛勝蚓的消化酶主要用于分解植物殘?jiān)f明它以植物為食。

和消化酶一樣，各種營養(yǎng)物質(zhì)也有不同的特性，我們可以通過檢查土壤動(dòng)物體內(nèi)的營養(yǎng)成分，來判斷它們吃了什么。

拿脂肪酸舉例，由于脂肪酸在消化后不會(huì)完全分解，基本以原樣被吸收，因此能很好地反映食物的來源。依據(jù)這一特性，科學(xué)家們通過脂肪酸分析法分析土壤動(dòng)物體內(nèi)的脂肪酸含量和種類，再通過比較不同土壤動(dòng)物的脂肪酸成分，確定“誰”吃了“誰”，從而明晰食物網(wǎng)中的物質(zhì)傳遞路徑。

土壤動(dòng)物（跳蟲）中性脂肪酸提取過程

（圖片來源：Scheu 組)

而穩(wěn)定同位素技術(shù)則起到了“偵探”的作用，能夠通過追蹤食物鏈中穩(wěn)定同位素的傳遞和變化，來揭示土壤動(dòng)物之間的食物關(guān)系。這就像是我們通過追蹤一個(gè)案件的線索，來找出犯罪嫌疑人一樣?？茖W(xué)家們分析土壤動(dòng)物體內(nèi)的碳和氮同位素，來確定它們的食物來源和營養(yǎng)級(jí)別。這種方法不僅能揭示某一時(shí)刻的攝食關(guān)系，更可以讓我們了解食物網(wǎng)中物質(zhì)傳遞的長期結(jié)果。

食草性叩頭蟲幼蟲和蜘蛛的穩(wěn)定同位素分析

（圖片來源：Michael Traugott et al.,2013）

當(dāng)“吃貨”有了“身份證”：DNA尋蹤食物網(wǎng)

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著分子生物學(xué)的飛速發(fā)展，科學(xué)家們又開發(fā)出了一種全新的研究方法——DNA分子跟蹤食物鏈網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

這種方法利用DNA的特異性，來追蹤土壤動(dòng)物之間的食物關(guān)系……

想象一下，每一個(gè)土壤動(dòng)物都像是一個(gè)帶有獨(dú)特“身份證”的個(gè)體，而DNA就是這張“身份證”上的信息?？茖W(xué)家們通過讀取這些信息，就能夠知道這些土壤動(dòng)物吃了什么，以及它們之間是如何相互關(guān)聯(lián)的。

未來，隨著物種分子鑒定技術(shù)的不斷改進(jìn)和數(shù)據(jù)庫的積累，DNA分子跟蹤食物鏈網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)成為研究土壤動(dòng)物食物網(wǎng)的主流方法。土壤動(dòng)物食物網(wǎng)的研究不僅讓我們更加深入地了解了地下世界的奧秘，也為我們保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供了新的思路和方法。

我們有理由相信，在不久的將來，這個(gè)神秘的地下世界將會(huì)變得更加清晰、更加有趣。

溫帶谷物害蟲多重PCR檢測

(圖片來源：Michael Traugott et al.,2013)

土壤動(dòng)物食物網(wǎng)的研究不僅讓我們更加深入地了解了地下世界的奧秘，也為我們保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供了新的思路和方法。讓我們一起關(guān)注這個(gè)神秘的地下世界，為地球家園的和諧共生貢獻(xiàn)自己的力量吧！

（圖片來源：Pexels）

參考文獻(xiàn)：

1.崔瑩. 2012. 基于穩(wěn)定同位素和脂肪酸組成的中國近海生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流動(dòng)研究(博士學(xué)位論文). 上海: 華東師范大學(xué)．

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4.馬秀慧, 王志堅(jiān). DNA-based 方法及其在研究動(dòng)物食物組成中的應(yīng)用[J]. 四川動(dòng)物, 2012, 31(3): 497-503.