科學(xué)好故事：嘈雜的地下世界

馬庫斯·梅德是一位聲音藝術(shù)家兼聲景生態(tài)學(xué)家，他第一次將噪音傳感器插到地里時(shí)，只是一時(shí)興起。當(dāng)時(shí)他坐在一處高山草甸上，突發(fā)奇想，把一個(gè)特制的麥克風(fēng)插進(jìn)了土壤里，“純粹只是好奇”。

很顯然，當(dāng)時(shí)的他還沒有準(zhǔn)備好面對即將淹沒耳機(jī)的嘈雜聲。“這些聲音非常奇怪，有噔噔聲、啾啾聲，還有刮擦聲。你需要一個(gè)全新的詞匯來描述它。”梅德意識到，他正在偷聽生活在土壤里的生物。

土壤中充滿了像跳蟲這樣的微小生物，它們都能發(fā)出獨(dú)特的聲音，而科學(xué)家們才剛剛開始了解這些聲音。

生態(tài)學(xué)家們很早就知道，我們腳下的土地也是眾多生命的家園，甚至可以說是地球上生命種類最多的地方。在外行看來，土壤似乎只是一層或致密，或疏松的泥土。但事實(shí)上，土壤是一個(gè)迷宮般的復(fù)雜景觀，里面既有隧道、空洞，也有樹根和腐爛的凋落物。

僅在一杯泥土中，研究人員就統(tǒng)計(jì)出了1億種生命形式，屬于5000多個(gè)分類單元。這些地下居民包括微生物和真菌，以及鉛筆尖大小的跳蟲（又稱彈尾蟲）和螨蟲，還有蜈蚣、蛞蝓和可以長到數(shù)米長的蚯蚓。此外，我們有時(shí)還會見到鼴鼠、老鼠和兔子，它們至少有一部分時(shí)間生活在地下隧道和洞穴中。

這個(gè)數(shù)量代表了驚人的生物多樣性。對人類來說，這種生物多樣性至關(guān)重要——這些地下群落構(gòu)成了地球上生命的大部分基礎(chǔ)，從我們吃的食物到我們呼吸的空氣，都與此息息相關(guān)。

如今，土壤生物聲學(xué)——有些人更喜歡用“生物振動學(xué)”或“土壤生態(tài)聲學(xué)”這樣的術(shù)語——已經(jīng)成為一個(gè)相對較新的研究領(lǐng)域，越來越多的生物學(xué)家正嘗試聆聽來自地下的聲音，希望以此進(jìn)入這個(gè)復(fù)雜而神秘的世界。他們發(fā)現(xiàn)，如果配備了合適的傳感器，一根金屬釘插入泥土的金屬釘就能變成一根倒置的天線，捕捉到土壤中嘈雜的聲音。聽得越多，研究人員就越能清楚地認(rèn)識到，我們腳下的大地是多么的富有生機(jī)。

“竊聽”地下的雜音，不僅能揭示土壤中的各種生命形式，還能了解它們的生存方式，包括如何進(jìn)食或狩獵，如何悄無聲息地滑過彼此，或是通過擊打、敲擊、鳴唱等方式，來引起對方的注意。地下生命世界“是一個(gè)黑匣子”，當(dāng)我們打開它時(shí)，才會意識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?yàn)橥寥郎鷳B(tài)學(xué)至關(guān)重要。土壤有助于營養(yǎng)元素，如碳、氮、磷和鉀的轉(zhuǎn)化，這些元素為植物提供養(yǎng)分，為森林提供食物，或者向空氣中注入氧氣，讓我們能夠呼吸。在土壤生態(tài)學(xué)中，幾乎每一個(gè)環(huán)節(jié)都涉及到蚯蚓、蠐螬、真菌、細(xì)菌和其他分解者。

每一種土壤生物都有自己的音軌。咀嚼植物根部的昆蟲幼蟲會在咬斷食物纖維時(shí)發(fā)出短促的咔噠聲。蚯蚓在爬過地下“隧道”時(shí)會發(fā)出沙沙聲，植物根系穿過土壤顆粒時(shí)也會發(fā)出這樣的聲音，但根系的移動速度比蚯蚓慢得多，節(jié)奏也更為穩(wěn)定。通過區(qū)分這些聲音，土壤聲學(xué)可以為一些我們目前還無法回答的問題提供線索。比如，植物根系的生長是在什么時(shí)候？是在晚上嗎？還是白天？或者只在下雨的時(shí)候？

生活在納米比亞納米布沙漠的金鼴鼠，其耳朵里的聽小骨變大，也許是為了幫助它們在沙丘里“游泳”時(shí)聽到獵物的聲音。

與其他生物相比，人類對這些地下音樂明顯有些后知后覺。我們經(jīng)常可以看到鳥兒歪著頭在草坪上跳躍。研究人員認(rèn)為，這是因?yàn)樗鼈冊趥?cè)耳傾聽地下蚯蚓或昆蟲幼蟲的聲音。它們常常會在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)啄開土壤，捕食毫無防備的獵物。

北美的木雕水龜則會利用蚯蚓對雨點(diǎn)振動的注意力，它們在地面上跺腳，以模仿這種聲音，從而使蚯蚓爬出地面，成為一頓美餐。

地下振動在發(fā)出信號的過程中可能也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。科學(xué)家認(rèn)為，生活在地下洞穴里的鼴鼠，會通過用頭或腳撞擊隧道墻壁來與附近的其他鼴鼠交流。切葉蟻被觀察到在巢穴塌陷并被掩埋時(shí)會發(fā)出噪音，吸引其他工蟻趕到現(xiàn)場，開始挖洞并營救同伴。

有些地下聲音可以被人耳聽到，但許多聲音的頻率（和音量）過高或過低，是我們聽不到的。為了捕捉這些信號，研究人員使用了壓電傳感器等工具。這種傳感器的工作原理類似于夾在吉他上的接觸式麥克風(fēng)，它們被固定在一根插在地下的金屬釘子上——長度有時(shí)可達(dá)30厘米。研究人員將這些傳感器探測到的振動轉(zhuǎn)換成電子信號并放大，成為人類所能夠聽到的聲音。

卡洛琳-莫妮卡·戈蕾斯是德國蓋森海姆大學(xué)的景觀生態(tài)學(xué)家，在對地下噪音的研究中，她被其中所蘊(yùn)含的巨大信息震撼到了。戈蕾斯研究的是蠐螬，一類以植物根系為食的甲蟲幼蟲。她對這些蟲子釋放的氣體——比如甲烷——特別感興趣。生物學(xué)家懷疑，這些不同種類的小昆蟲，由于數(shù)量過于龐大，會產(chǎn)生大量的氣體排放，從而影響氣候。（據(jù)估計(jì)，白蟻產(chǎn)生的甲烷排放量約占全球的1.5%。相比之下，煤炭開采的碳排放量為5%至6%。）

蠐螬通過摩擦自己的下顎發(fā)出“嘎吱嘎吱”的鳴聲，或許是在向附近的其他同類發(fā)出信號。

研究開始時(shí)，戈蕾斯感到困難重重。應(yīng)該如何得知一塊土壤里有多少這樣的甲蟲幼蟲？“傳統(tǒng)方法是把地面挖開，看看里面有什么。”她說，“但這么做的話，一切就都被打亂了。”于是，戈蕾斯騎上自行車，來到她所在城鎮(zhèn)周圍的草地和森林里，將24個(gè)聲波傳感器埋到土壤里，以記錄幼蟲的活動。當(dāng)她把錄音播放給其他人聽時(shí)，“有人說聽起來就像樹木在嘎吱作響，其他人則聽到了砂紙摩擦的聲音”。

戈蕾斯已經(jīng)了解到，她可以通過不同的聲音模式——類似于地面上蟬和蚱蜢的鳴聲（stridulation）——來區(qū)分她所研究的兩種蠐螬，分別屬于五月鰓金龜（Melolontha Melolontha）和大栗鰓金龜（M。 hippocastani）。

蠐螬通過摩擦上顎來發(fā)出這些聲音，它們在地下是磨著牙齒互相交談的，鳴聲的美妙之處在于，它們似乎是物種特有的，就像鳥的鳴叫一樣。

一旦幼蟲化蛹，它們就會切換到另一種制造噪音的機(jī)制，通過在蛹內(nèi)旋轉(zhuǎn)腹部，并撞擊蛹壁發(fā)聲。它們這么做是為了什么呢？目前尚不清楚。地面上的昆蟲通過鳴聲來吸引配偶，但對于幼蟲來說，“繁殖并不重要”。為了獲得更多信息，戈蕾斯取來這些幼蟲自然棲息地的沙土，裝進(jìn)容器，再放入胡蘿卜片，以確保幼蟲的生長，然后將它們帶到實(shí)驗(yàn)室。

有證據(jù)表明，豌豆的根會向著流水聲的方向生長。

戈蕾斯注意到，當(dāng)一只幼蟲自己呆著時(shí)，它很少發(fā)出鳴聲；但如果不止一只幼蟲共用一個(gè)容器，它們就會開始“歌唱”，并且十分活躍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，3只金龜子幼蟲在最初的兩個(gè)半小時(shí)里一共發(fā)出了682次鳴聲。

這些幼蟲發(fā)出的鳴聲可能是作為警告，讓彼此遠(yuǎn)離。幼蟲是完美的進(jìn)食機(jī)器，它們生活的唯一目的就是獲得生物量。因此，如果有過多幼蟲共享同一塊土壤的話，它們就會開始同類相食。科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了支持這一觀點(diǎn)的證據(jù)：幼蟲會改變路線，以避免發(fā)出腹部撞擊聲的蛹。

當(dāng)我們談?wù)撀曇魰r(shí)，主要指的是在空氣中傳播的壓力波。當(dāng)這些波撞擊我們的耳朵時(shí)，會振動耳膜，并最終由我們的大腦將這些振動轉(zhuǎn)化為聲音。但這些波也可以通過其他介質(zhì)傳播，比如水或土壤。大象就很擅長利用這一點(diǎn)，它們會發(fā)出一種低頻的隆隆聲，通過地面?zhèn)鞑ィ瑥亩芘c遠(yuǎn)方的同伴保持聯(lián)系，后者會利用腳底接收這些信號。

聲發(fā)射也可以同時(shí)通過不同的介質(zhì)傳播。有一種學(xué)名為Gryllotalpa major的螻蛄，其雄性會在沙土中挖出角狀的洞穴，并在洞穴里摩擦翅膀，發(fā)出刺耳的聲音。這種鳴聲的目的是向在空中飛行的雌性求愛。但與此同時(shí)，它們也以振動的方式通過土壤傳播鳴聲，以此警告其他在地下洞穴里的雄性同類。

一些動物的耳朵已經(jīng)發(fā)展出了適應(yīng)機(jī)制，以便更好地捕捉這種經(jīng)由土壤傳播的振動。納米布沙漠生活著一種金毛鼴科（Chrysochloridae）物種，這是一種小型的、毛茸茸的哺乳動物，晝伏夜行，基本沒有視覺能力。到了夜晚，這種金毛鼴會把頭和肩膀沒入沙子里，像游泳一樣，在沙丘中尋找白蟻。生物學(xué)家認(rèn)為，它這么做是為了傾聽獵物的聲音。金毛鼴的中耳有一根聽小骨明顯增大，可能有助于它們接收地面?zhèn)鞑サ恼駝樱@一過程類似于人類耳朵接收由空氣傳播的聲波。

相比之下，蛇類主要通過下頜的傳感器來接收振動信號。生活在北美的星鼻鼴長著奇怪的鼻子，其鼻尖環(huán)繞著22只觸手，能夠感知振動。許多昆蟲的腿上都有機(jī)械力感受器，可以接收地面?zhèn)鱽淼恼駝有盘枴?/p>

地下動物將聲音融入了它們的生活，這是完全說得通的。聲音是一種高速信號，幾乎不需要額外的成本。很顯然，利用聲音進(jìn)行通信的成本要比產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)（如信息素）少得多。聲音也往往比化學(xué)信號傳播得更快、更遠(yuǎn)。大象的隆隆聲可以傳播數(shù)公里。由地下小昆蟲引起的振動可能只能傳播幾十厘米，但在一個(gè)微米尺度的世界里，這已經(jīng)是一段相當(dāng)長的距離。

除了動物以外，其他生命形式是否也能感知并利用這些地下的振動？研究人員將一些微小的土壤生物，如跳蟲和土壤螨類帶入實(shí)驗(yàn)室，對它們進(jìn)行數(shù)小時(shí)的記錄，以測試它們單獨(dú)或與其他物種組合時(shí)會發(fā)出多少噪音。他們想知道，真菌能否記錄來自這些微小捕食者的聲音，并遠(yuǎn)離它們聚集的場所，因?yàn)樗鼈冎杏幸恍┫矚g以真菌絲為食。

還有一種可能是，真菌可以通過增加孢子來對危險(xiǎn)的聲音信號做出反應(yīng)，這將有助于確保真菌在被吃掉之前盡可能地傳播基因。

目前已經(jīng)有證據(jù)表明，至少有一些植物能夠利用聲音來幫助自己生存。

進(jìn)化生態(tài)學(xué)家利用豌豆（Pisum sativum）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，讓豌豆的根系在不同的塑料管中生長，所有塑料管都填滿土壤，但有些塑料管的外側(cè)又加了一根管子，里面有水流過；也就是說，這些塑料管里的根系暴露在水流的振動之下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，豌豆的根系會朝著水流聲音的方向生長，即使水本身并沒有接觸到根系，水分也無法滲入塑料管。

除了為生態(tài)學(xué)家提供信息，地下聲學(xué)還可以幫助我們更好地保護(hù)環(huán)境，監(jiān)控每年造成數(shù)十億美元損失的害蟲。研究人員在2015年一篇關(guān)于食根昆蟲的綜述文章中寫道，早在1478年，“金龜子就對瑞士阿爾卑斯山的高山草甸造成了嚴(yán)重破壞，以至于洛桑主教把這些罪行深重的食草動物革除教籍”。近期的一個(gè)例子是，葡萄根透翅蛾（Vitacea polistiformis）的侵襲會導(dǎo)致葡萄減產(chǎn)47%。

由于無法準(zhǔn)確地查明害蟲的危害情況，土地管理者往往不得不訴諸于地毯式的除蟲方法，用殺蟲劑來對付這些害蟲，但這會殺死地下的所有活物。通常情況下，只處理田地或高爾夫球場的一小部分就足夠了，因?yàn)橥寥览ハx往往會聚集在一處。但是，如果想要成功，你就需要知道害蟲在哪里。

因此，研究人員一直在進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，試圖了解土地管理者是否可以將傳感器插入草坪，利用收集到的聲音頻率來確定地下害蟲的危害和種類。盡管這項(xiàng)工作尚未完成，但初步結(jié)果表明這是可能的。

然而，令研究人員沮喪的是，他們發(fā)現(xiàn)在地下探測到的一切并非都是新奇的，有些聲音熟悉得令人不安。當(dāng)探測地下的聲音時(shí)，能聽到很遠(yuǎn)的建筑工地和高速公路的聲音。甚至飛機(jī)的聲音。

目前科學(xué)家還不清楚人類的聲音污染對地下生命有什么影響，很難相信這會沒有任何影響。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，對于大片的開發(fā)土地，地下動物的活動似乎已經(jīng)開始沉寂下來，特別是在密集耕種的田地里，“一切都變得很安靜”。

地下噪音的減少意味著生物多樣性的減少，進(jìn)而意味著土壤健康狀況的下降。這與聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織最近的一份報(bào)告相吻合。該報(bào)告發(fā)現(xiàn)，世界上至少有三分之一的土地已經(jīng)因農(nóng)業(yè)開發(fā)而出現(xiàn)了中度退化。

土壤聲學(xué)或許能幫助更多的人意識到我們所面臨的風(fēng)險(xiǎn)，地下世界正在失去生機(jī)。瑞士啟動了一個(gè)公民科學(xué)項(xiàng)目，向人們提供聲學(xué)傳感器，讓他們親身聆聽地下的生命活動。這些錄音將被匯總，形成一個(gè)關(guān)于土壤聲音的國家圖書館，以此提高人們保護(hù)土壤生物多樣性的意識。