科学好故事|嘈杂的地下世界

来源：BBC

撰文：Ute Eberle

翻译：任天

看似平凡无奇的土壤其实充满生机。

蚯蚓、蛴螬和树根等，无时不刻不在我们脚下的土壤中翻找着，并发出“刺耳”的声音。直到不久前，科学家才开始聆听这些声音，希望能够更好地了解地下的生命世界。

马库斯·梅德是一位声音艺术家兼声景生态学家，他第一次将噪音传感器插到地里时，只是一时兴起。当时他坐在一处高山草甸上，突发奇想，把一个特制的麦克风插进了土壤里，“纯粹只是好奇”。

很显然，当时的他还没有准备好面对即将淹没耳机的嘈杂声。“这些声音非常奇怪，有噔噔声、啾啾声，还有刮擦声。你需要一个全新的词汇来描述它。”梅德意识到，他正在偷听生活在土壤里的生物。

生态学家们很早就知道，我们脚下的土地也是众多生命的家园，甚至可以说是地球上生命种类最多的地方。在外行看来，土壤似乎只是一层或致密，或疏松的泥土。但事实上，土壤是一个迷宫般的复杂景观，里面既有隧道、空洞，也有树根和腐烂的凋落物。

仅在一杯泥土中，研究人员就统计出了1亿种生命形式，属于5000多个分类单元。这些地下居民包括微生物和真菌，以及铅笔尖大小的跳虫（又称弹尾虫）和螨虫，还有蜈蚣、蛞蝓和可以长到数米长的蚯蚓。此外，我们有时还会见到鼹鼠、老鼠和兔子，它们至少有一部分时间生活在地下隧道和洞穴中。

这个数量代表了惊人的生物多样性。对人类来说，这种生物多样性至关重要——这些地下群落构成了地球上生命的大部分基础，从我们吃的食物到我们呼吸的空气，都与此息息相关。

如今，土壤生物声学——有些人更喜欢用“生物振动学”或“土壤生态声学”这样的术语——已经成为一个相对较新的研究领域，越来越多的生物学家正尝试聆听来自地下的声音，希望以此进入这个复杂而神秘的世界。他们发现，如果配备了合适的传感器，一根金属钉插入泥土的金属钉就能变成一根倒置的天线，捕捉到土壤中嘈杂的声音。听得越多，研究人员就越能清楚地认识到，我们脚下的大地是多么的富有生机。

“窃听”地下的杂音，不仅能揭示土壤中的各种生命形式，还能了解它们的生存方式，包括如何进食或狩猎，如何悄无声息地滑过彼此，或是通过击打、敲击、鸣唱等方式，来引起对方的注意。地下生命世界“是一个黑匣子”，当我们打开它时，才会意识到自己知道的太少了。

了解地下生命世界之所以很重要，是因为土壤生态学至关重要。土壤有助于营养元素，如碳、氮、磷和钾的转化，这些元素为植物提供养分，为森林提供食物，或者向空气中注入氧气，让我们能够呼吸。在土壤生态学中，几乎每一个环节都涉及到蚯蚓、蛴螬、真菌、细菌和其他分解者。

每一种土壤生物都有自己的音轨。咀嚼植物根部的昆虫幼虫会在咬断食物纤维时发出短促的咔哒声。蚯蚓在爬过地下“隧道”时会发出沙沙声，植物根系穿过土壤颗粒时也会发出这样的声音，但根系的移动速度比蚯蚓慢得多，节奏也更为稳定。通过区分这些声音，土壤声学可以为一些我们目前还无法回答的问题提供线索。比如，植物根系的生长是在什么时候？是在晚上吗？还是白天？或者只在下雨的时候？

与其他生物相比，人类对这些地下音乐明显有些后知后觉。我们经常可以看到鸟儿歪着头在草坪上跳跃。研究人员认为，这是因为它们在侧耳倾听地下蚯蚓或昆虫幼虫的声音。它们常常会在恰当的时机啄开土壤，捕食毫无防备的猎物。

北美的木雕水龟则会利用蚯蚓对雨点振动的注意力，它们在地面上跺脚，以模仿这种声音，从而使蚯蚓爬出地面，成为一顿美餐。

地下振动在发出信号的过程中可能也发挥着关键作用。科学家认为，生活在地下洞穴里的鼹鼠，会通过用头或脚撞击隧道墙壁来与附近的其他鼹鼠交流。切叶蚁被观察到在巢穴塌陷并被掩埋时会发出噪音，吸引其他工蚁赶到现场，开始挖洞并营救同伴。

有些地下声音可以被人耳听到，但许多声音的频率（和音量）过高或过低，是我们听不到的。为了捕捉这些信号，研究人员使用了压电传感器等工具。这种传感器的工作原理类似于夹在吉他上的接触式麦克风，它们被固定在一根插在地下的金属钉子上——长度有时可达30厘米。研究人员将这些传感器探测到的振动转换成电子信号并放大，成为人类所能够听到的声音。

卡洛琳-莫妮卡·戈蕾斯是德国盖森海姆大学的景观生态学家，在对地下噪音的研究中，她被其中所蕴含的巨大信息震撼到了。戈蕾斯研究的是蛴螬，一类以植物根系为食的甲虫幼虫。她对这些虫子释放的气体——比如甲烷——特别感兴趣。生物学家怀疑，这些不同种类的小昆虫，由于数量过于庞大，会产生大量的气体排放，从而影响气候。（据估计，白蚁产生的甲烷排放量约占全球的1.5%。相比之下，煤炭开采的碳排放量为5%至6%。）

研究开始时，戈蕾斯感到困难重重。应该如何得知一块土壤里有多少这样的甲虫幼虫？“传统方法是把地面挖开，看看里面有什么。”她说，“但这么做的话，一切就都被打乱了。”于是，戈蕾斯骑上自行车，来到她所在城镇周围的草地和森林里，将24个声波传感器埋到土壤里，以记录幼虫的活动。当她把录音播放给其他人听时，“有人说听起来就像树木在嘎吱作响，其他人则听到了砂纸摩擦的声音”。

戈蕾斯已经了解到，她可以通过不同的声音模式——类似于地面上蝉和蚱蜢的鸣声（stridulation）——来区分她所研究的两种蛴螬，分别属于五月鳃金龟（Melolontha Melolontha）和大栗鳃金龟（M。 hippocastani）。

蛴螬通过摩擦上颚来发出这些声音，它们在地下是磨着牙齿互相交谈的，鸣声的美妙之处在于，它们似乎是物种特有的，就像鸟的鸣叫一样。

一旦幼虫化蛹，它们就会切换到另一种制造噪音的机制，通过在蛹内旋转腹部，并撞击蛹壁发声。它们这么做是为了什么呢？目前尚不清楚。地面上的昆虫通过鸣声来吸引配偶，但对于幼虫来说，“繁殖并不重要”。为了获得更多信息，戈蕾斯取来这些幼虫自然栖息地的沙土，装进容器，再放入胡萝卜片，以确保幼虫的生长，然后将它们带到实验室。

戈蕾斯注意到，当一只幼虫自己呆着时，它很少发出鸣声；但如果不止一只幼虫共用一个容器，它们就会开始“歌唱”，并且十分活跃。据统计，3只金龟子幼虫在最初的两个半小时里一共发出了682次鸣声。

这些幼虫发出的鸣声可能是作为警告，让彼此远离。幼虫是完美的进食机器，它们生活的唯一目的就是获得生物量。因此，如果有过多幼虫共享同一块土壤的话，它们就会开始同类相食。科学家们已经发现了支持这一观点的证据：幼虫会改变路线，以避免发出腹部撞击声的蛹。

当我们谈论声音时，主要指的是在空气中传播的压力波。当这些波撞击我们的耳朵时，会振动耳膜，并最终由我们的大脑将这些振动转化为声音。但这些波也可以通过其他介质传播，比如水或土壤。大象就很擅长利用这一点，它们会发出一种低频的隆隆声，通过地面传播，从而能与远方的同伴保持联系，后者会利用脚底接收这些信号。

声发射也可以同时通过不同的介质传播。有一种学名为Gryllotalpa major的蝼蛄，其雄性会在沙土中挖出角状的洞穴，并在洞穴里摩擦翅膀，发出刺耳的声音。这种鸣声的目的是向在空中飞行的雌性求爱。但与此同时，它们也以振动的方式通过土壤传播鸣声，以此警告其他在地下洞穴里的雄性同类。

一些动物的耳朵已经发展出了适应机制，以便更好地捕捉这种经由土壤传播的振动。纳米布沙漠生活着一种金毛鼹科（Chrysochloridae）物种，这是一种小型的、毛茸茸的哺乳动物，昼伏夜行，基本没有视觉能力。到了夜晚，这种金毛鼹会把头和肩膀没入沙子里，像游泳一样，在沙丘中寻找白蚁。生物学家认为，它这么做是为了倾听猎物的声音。金毛鼹的中耳有一根听小骨明显增大，可能有助于它们接收地面传播的振动，这一过程类似于人类耳朵接收由空气传播的声波。

相比之下，蛇类主要通过下颌的传感器来接收振动信号。生活在北美的星鼻鼹长着奇怪的鼻子，其鼻尖环绕着22只触手，能够感知振动。许多昆虫的腿上都有机械力感受器，可以接收地面传来的振动信号。

地下动物将声音融入了它们的生活，这是完全说得通的。声音是一种高速信号，几乎不需要额外的成本。很显然，利用声音进行通信的成本要比产生化学物质（如信息素）少得多。声音也往往比化学信号传播得更快、更远。大象的隆隆声可以传播数公里。由地下小昆虫引起的振动可能只能传播几十厘米，但在一个微米尺度的世界里，这已经是一段相当长的距离。

除了动物以外，其他生命形式是否也能感知并利用这些地下的振动？研究人员将一些微小的土壤生物，如跳虫和土壤螨类带入实验室，对它们进行数小时的记录，以测试它们单独或与其他物种组合时会发出多少噪音。他们想知道，真菌能否记录来自这些微小捕食者的声音，并远离它们聚集的场所，因为它们中有一些喜欢以真菌丝为食。

还有一种可能是，真菌可以通过增加孢子来对危险的声音信号做出反应，这将有助于确保真菌在被吃掉之前尽可能地传播基因。

目前已经有证据表明，至少有一些植物能够利用声音来帮助自己生存。

进化生态学家利用豌豆（Pisum sativum）进行了实验，让豌豆的根系在不同的塑料管中生长，所有塑料管都填满土壤，但有些塑料管的外侧又加了一根管子，里面有水流过；也就是说，这些塑料管里的根系暴露在水流的振动之下。实验结果表明，豌豆的根系会朝着水流声音的方向生长，即使水本身并没有接触到根系，水分也无法渗入塑料管。

除了为生态学家提供信息，地下声学还可以帮助我们更好地保护环境，监控每年造成数十亿美元损失的害虫。研究人员在2015年一篇关于食根昆虫的综述文章中写道，早在1478年，“金龟子就对瑞士阿尔卑斯山的高山草甸造成了严重破坏，以至于洛桑主教把这些罪行深重的食草动物革除教籍”。近期的一个例子是，葡萄根透翅蛾（Vitacea polistiformis）的侵袭会导致葡萄减产47%。

由于无法准确地查明害虫的危害情况，土地管理者往往不得不诉诸于地毯式的除虫方法，用杀虫剂来对付这些害虫，但这会杀死地下的所有活物。通常情况下，只处理田地或高尔夫球场的一小部分就足够了，因为土壤昆虫往往会聚集在一处。但是，如果想要成功，你就需要知道害虫在哪里。

因此，研究人员一直在进行一项实验，试图了解土地管理者是否可以将传感器插入草坪，利用收集到的声音频率来确定地下害虫的危害和种类。尽管这项工作尚未完成，但初步结果表明这是可能的。

然而，令研究人员沮丧的是，他们发现在地下探测到的一切并非都是新奇的，有些声音熟悉得令人不安。当探测地下的声音时，能听到很远的建筑工地和高速公路的声音。甚至飞机的声音。

目前科学家还不清楚人类的声音污染对地下生命有什么影响，很难相信这会没有任何影响。

科学家还发现，对于大片的开发土地，地下动物的活动似乎已经开始沉寂下来，特别是在密集耕种的田地里，“一切都变得很安静”。

地下噪音的减少意味着生物多样性的减少，进而意味着土壤健康状况的下降。这与联合国粮食及农业组织最近的一份报告相吻合。该报告发现，世界上至少有三分之一的土地已经因农业开发而出现了中度退化。

土壤声学或许能帮助更多的人意识到我们所面临的风险，地下世界正在失去生机。瑞士启动了一个公民科学项目，向人们提供声学传感器，让他们亲身聆听地下的生命活动。这些录音将被汇总，形成一个关于土壤声音的国家图书馆，以此提高人们保护土壤生物多样性的意识。