作者：常亮 张莎（中国科学院东北地理与农业生态研究所） 乔雨（鋆昕仪器科技（上海）有限公司）
监制：中国科普博览
编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。
当我们漫步在绿意盎然的森林，或是踏过金黄的麦田时，常常会忽略脚下还有一个充满生机的“地下王国”，那里居住着一群“吃货”——土壤动物。
虽然体型微小，但土壤动物以及土壤动物的食物网却对生态系统的健康起着重要的作用。
今天，就让我们一起化身福尔摩斯，一同揭开这桩发生在神秘地下世界的谜案——土壤动物中，究竟谁吃了谁？
显微镜下的土壤动物
（图片来源：Eidg.WSL研究所）
地下“吃货”分三类，最大的只有几厘米
在破解这桩“谁吃了谁”的地下谜案前，我们先来看看这桩案件中的“当事人”们有哪些：
土壤动物被称为“吃货”，因为它们通过摄取土壤中的有机物、微生物或其他动物，帮助分解物质和循环养分。虽然它们体型小、不起眼，但对土壤健康和生态系统的稳定至关重要。根据体型大小，可以将土壤动物分为：
1.小型土壤动物：体宽在100μm以下的，包括线虫、原生动物、轮虫等；
2.中型土壤动物：体宽在100μm-2mm之间的，包括螨类、跳虫、原尾虫、双尾虫、线蚓等；
3.大型土壤动物：体宽大于2mm的为大型土壤动物，包括蚯蚓、蜘蛛、甲虫、唇足类等；
土壤动物的食物网是生态系统的关键一环，尽管它们很小，但它们的活动会直接影响土壤肥力、植物生长以及整个生态系统的稳定性。因此，研究土壤动物可以帮助我们更好地了解和保护土壤及其生态系统。
常见的土壤动物分类（图片来源:Paul E A.,2007）
如何寻觅这些“吃货”呢？
然而，这些“吃货”中体型最大的也不过几厘米，科学家们是如何在土壤中找到小巧玲珑的它们，进而研究土壤动物食物网的呢？
蹲点、捉拿、解剖，简单粗暴但不足以“破案”
如果足够“眼疾手快”，野外直接观察法无疑是最直观快速的一种方法。科学家们只需要静静蹲守，就能在土壤中找到这些“嫌疑人”的踪迹，进而观察并捕捉到它们的捕食行为。但这种方法通常只适用于蜘蛛、蚯蚓这种肉眼容易发现的大型土壤动物，对于那些微小或深藏在土壤中的动物，直接观察起来就有些困难了。
蜘蛛对不同猎物的捕食瞬间
（图片来源:veer图库）
除了在野外直接观察，将土壤动物捕捉并带回实验室内培养和观察也是一种常用的研究方法。就像我们在家里给宠物喂食一样，科学家也会给它们提供食物，通过观察它们的饮食习惯来确定这些“吃货”爱吃什么，从而锁定“嫌疑人”，推断它们在食物网中的位置。
虽然这种方法直观有效，但实验室无法完全模拟野外的环境，因此，无法保证“吃货”们在实验室与在野外的进食习惯相同，室内培养实验观察法的准确性还需要进一步确定[1]。
当然，除了直接观察这些“吃货”们吃了什么、怎么吃以外，最直接的方法还是让土壤动物“自证清白”。
显微镜下肠容物分析法就是让科学家们通过高超的“医术”解剖这些土壤动物，并用显微镜仔细观察它们肚子里的食物残渣，以此来判断它们吃了什么。
通过这种方法，科学家们可以精确地了解这些小动物的饮食习惯。不过，肠容物只能反映动物最近吃的东西，而且一些容易消化的食物可能会被忽略，因此这种方法容易造成“误判”。
蚯蚓肠道中的微塑料
（图片来源:Ke Meng et al.,2023）
谁吃了谁？化学手段来“破案”
以上这些方法都是通过观察土壤动物的取食行为来确定食物网的，但都存在一定的局限。因此，科学家们想到，从“吃货”们吃进肚子里的食物入手，开发了一些更加高效、准确的食物网研究方法。
消化酶分析法是通过分析土壤动物体内的消化酶，来推断它们的食性的一种方法。动物体内有不同种类的消化酶，每种消化酶各司其职地负责消化一类或几类食物，因此，这种方法就像是用一把钥匙打开了一个锁，让我们能够更深入地了解这些土壤动物的饮食习惯[3]。例如，研究发现赤子爱胜蚓的消化酶主要用于分解植物残渣，说明它以植物为食。
和消化酶一样，各种营养物质也有不同的特性，我们可以通过检查土壤动物体内的营养成分，来判断它们吃了什么。
拿脂肪酸举例，由于脂肪酸在消化后不会完全分解，基本以原样被吸收，因此能很好地反映食物的来源。依据这一特性，科学家们通过脂肪酸分析法分析土壤动物体内的脂肪酸含量和种类，再通过比较不同土壤动物的脂肪酸成分，确定“谁”吃了“谁”，从而明晰食物网中的物质传递路径。
土壤动物（跳虫）中性脂肪酸提取过程
(图片来源：Scheu 组)
而稳定同位素技术则起到了“侦探”的作用，能够通过追踪食物链中稳定同位素的传递和变化，来揭示土壤动物之间的食物关系。这就像是我们通过追踪一个案件的线索，来找出犯罪嫌疑人一样。科学家们分析土壤动物体内的碳和氮同位素，来确定它们的食物来源和营养级别。这种方法不仅能揭示某一时刻的摄食关系，更可以让我们了解食物网中物质传递的长期结果。
食草性叩头虫幼虫和蜘蛛的稳定同位素分析
（图片来源：Michael Traugott et al.,2013）
当“吃货”有了“身份证”：DNA寻踪食物网
进入21世纪，随着分子生物学的飞速发展，科学家们又开发出了一种全新的研究方法——DNA分子跟踪食物链网络技术。
这种方法利用DNA的特异性，来追踪土壤动物之间的食物关系…………
想象一下，每一个土壤动物都像是一个带有独特“身份证”的个体，而DNA就是这张“身份证”上的信息[4]。科学家们通过读取这些信息，就能够知道这些土壤动物吃了什么，以及它们之间是如何相互关联的。
未来，随着物种分子鉴定技术的不断改进和数据库的积累，DNA分子跟踪食物链网络技术将会成为研究土壤动物食物网的主流方法。土壤动物食物网的研究不仅让我们更加深入地了解了地下世界的奥秘，也为我们保护生态环境提供了新的思路和方法。
我们有理由相信，在不久的将来，这个神秘的地下世界将会变得更加清晰、更加有趣。
温带谷物害虫多重PCR检测
(图片来源：Michael Traugott et al.,2013)
土壤动物食物网的研究不仅让我们更加深入地了解了地下世界的奥秘，也为我们保护生态环境提供了新的思路和方法。让我们一起关注这个神秘的地下世界，为地球家园的和谐共生贡献自己的力量吧！
（图片来源：Pexels）
参考文献：
[1] 崔莹. 2012. 基于稳定同位素和脂肪酸组成的中国近海生态系统物质流动研究(博士学位论文). 上海: 华东师范大学．
[4] 马秀慧, 王志坚. DNA-based 方法及其在研究动物食物组成中的应用[J]. 四川动物, 2012, 31(3): 497-503.