一滴水，揭开土壤里数十亿生命的秘密科学大院
电影里，在案发现场，公安的技术人员会撒下荧光粉，提取嫌疑人的痕迹；在医院中，医生会给病人注射造影剂，让原本看不见的血管清晰呈现；在沙漠的油井内，勘探人员会往井中投放化学追踪剂，用来检测出地下油层的连通性……
紫外灯下，利用荧光粉末显现的指纹（图片来源：JSciMed）
以上这些方法，都是通过特殊标记，来追踪物质的变化，这就是示踪技术（Tracing）。当研究对象太小，或者是运动过程太快、太复杂时，科学家就会想办法给它们留下一个“记号”，借此追踪它们去了哪里、经历了什么、发生了哪些变化。
而就在最近，科学家们还将一种示踪技术应用到了土壤里，让我们可以窥探到隐藏在土壤之中的隐秘真相。
如何给土壤生命做“标记”？
当我们踩过一片森林，或者捧起一把泥土时，或许很少会意识到，在这片看似安静的世界里，正上演着无数场生命活动。一克土壤中生活着数十亿个微生物，它们默默分解有机质、循环养分、固定碳元素，驱动着土壤生态系统的运转，也影响着全球碳循环。
但是这些微生物实在太小了，成分组成又非常复杂。不仅肉眼根本无法看见，甚至连普通的观测手段也很难看清它们。为了揭开它们的生命奥秘，科学家需要给它们贴上一枚“隐形标签”，让这些隐藏在土壤中的生命活动变得可追踪、可测量，从而读懂这些肉眼无法看见的生命规律。这不仅是在认识土壤中的“小世界”，更是在理解支撑地球生态系统稳定运行的“大循环”。
样品采集现场图（图片来源：课题组自摄）
实验室进行样品培养（图片来源：课题组自摄）
可是想要给微生物打“标签”，并不容易。如果示踪标记物本身有颜色，会影响土壤中的生物；如果它具有毒性，有可能改变生命活动本身。最好的标记应该像一张隐形的身份证——既能被科学家准确识别，又不会打扰研究对象。
幸运的是，大自然本身就准备好了这样一种天然标签，这就是同位素。
就以氧元素为例，除了最常见的16O外，还有着比较稀有的17O和18O。它们化学性质几乎完全相同，只是质量略有不同。科学家把这些“长得一样、重量略有差别”的原子称为稳定同位素。
由于它们不会像放射性同位素那样衰变，也不会明显干扰生命的正常活动，是研究生命过程的理想示踪工具。
稳定同位素比值质谱仪（图片来源：所内公共测试中心官网）
实验中使用的18O标记水（图片来源：课题组自摄）
为何是一滴水？
最近，中国科学院沈阳应用生态研究所的王超研究员团队与国际多个组织进行合作，依托长白山阔叶红松林土壤研究平台，以水分子的18O-H2O作为稳定同位素示踪剂，将其释放在土壤中，对土壤微生物群落组成、功能基因谱和生理过程的影响进行研究。
吉林长白山森林生态系统国家野外科学观测研究站（图片来源：课题组自摄）
长白山阔叶红松林（图片来源：吉林长白山森林生态系统国家野外科学观测研究站官网）
既然稳定同位素可以作为天然标签，为什么科学家最终选择的不是空气、不是土壤，也不是微生物吃的食物，而偏偏是一滴水？
答案藏在生命最基本的过程——DNA复制。
微生物每生长一次，都需要复制新的DNA，而新DNA中的氧原子几乎全部来自周围的水。如果使用含有特殊氧同位素（18O）的水替代普通水，微生物在生长过程中新合成的DNA就会被“标记”上这种同位素。科学家正是通过检测这种标记，追踪土壤中微生物的生长活动，这就是18O-H2O稳定同位素示踪技术。
当然，科学研究往往不会止步于“找到一种方法”。真正成熟的方法，还必须回答一个更深层的问题：这枚标签记录的，究竟是不是真实的生命过程？于是我们对这枚“隐形标签”展开了追问。
18O-H2O稳定同位素示踪技术原理示意图（图片来源：AI生成）
生物DNA里的氧，真的来自水中吗？
18O-H2O技术可行的前提，就是微生物新合成DNA中的氧元素是来自周围环境中的水。假如DNA中的氧元素并不是来自水，而是来自微生物摄入的葡萄糖等有机物，那么这枚“隐形标签”，就失去作用了。
为了找到答案，研究团队设计了一项看似简单却十分关键的实验：分别采用18O标记的水和18O标记的葡萄糖开展培养实验，随后追踪新合成DNA中氧原子的来源。
结果非常明确：超过91%的氧元素来源于水，而来自葡萄糖等有机底物的氧元素则不足8%。换句话说，对于土壤微生物而言，水才是DNA中氧原子的主要“供给者”。
这意味着，当普通的水被替换成18O标记的水时，正在生长的微生物确实会在新合成的DNA中留下属于自己的“印记”。也正因如此，这枚“隐形标签”才能真实记录微生物的生长过程，并成为18O-H2O稳定同位素示踪技术最重要的科学基础。
新形成的微生物DNA中氧元素的来源（图片来源：Qu et al., 2020, Soil Biology and Biochemistry）
空气中的氧，难道不会“偷偷混进去”吗？
以上的实验，仅仅关注了水和有机物的氧元素转化情况。可微生物就和人类一样，每天也都在呼吸，而呼吸则离不开空气中的氧气。如果DNA里的氧元素，有一部分来自氧气，那么18O-H2O技术的准确性依旧要大打折扣。
为了验证这一点，科研团队再次设计了实验：他们分别利用18O标记的水和18O标记的氧气进行培养，并追踪新合成DNA中的氧来源。
结果再次令人安心。新合成DNA中的氧元素，99.25%来自外界水，而来自氧气的仅有0.75%。也就是说，空气中的氧几乎不会参与DNA复制过程。
