将一茶匙挖到离你最近的一团土壤中，你会发现其中含有的微生物比地球上的人还多。我们从实验室研究中了解到这一点，这些研究分析了从野生微生物中获取的地球样本，以确定我们脚下的世界中存在哪些形式的微观生命。

问题是，这些研究实际上并不能告诉我们这个由真菌、鞭毛虫和变形虫组成的地下王国是如何在地下运作的。因为它们需要从环境中去除土壤，这些研究破坏了土壤微生物所在的泥浆、水和空气的微妙结构。

这促使我的实验室开发了一种方法来监视这些地下工人，他们作为有机物回收剂的角色不可或缺，而不会干扰他们的微栖息地。

我们的研究揭示了土壤微生物所在的黑暗、潮湿的城市。我们发现了迷宫般的小高速公路、摩天大楼、桥梁和河流，微生物在这些迷宫中寻找食物，或者避免成为某人的下一顿饭。这个了解地下情况的新窗口可以帮助我们更好地了解和保护地球日益受损的土壤。

在我们的研究中，我们开发了一种半天然半人造的新型“半机械人土壤”。它由微工程芯片组成，我们要么埋在野外，要么在实验室里用土壤包围，让微生物城市有足够的时间在泥土中出现。

这些芯片实际上就像通往地下的窗户。在原本不透明的土壤中作为一块透明的补丁，芯片被切割成模拟实际土壤的孔隙结构，在微生物体验它们的规模上，这些结构通常是奇怪和违反直觉的。

与我们在宏观世界中所熟悉的相比，不同的物理定律在微观尺度上占据主导地位。水附着在表面上，静止的细菌会被水分子的运动推动。由于周围水的表面张力，气泡对许多微生物形成了无法逾越的屏障。

一旦我们将芯片植入土壤中，我们就可以看到微生物在它们分解的过程中穿过，揭示它们的相互作用、它们的食物网，以及不同的微生物如何设计它们周围不断变化的微栖息地。

当我们挖掘第一批芯片时，我们遇到了土壤中存在的各种单细胞生物、线虫、微小节肢动物和细菌种类。像植物根一样钻入地下的真菌菌丝迅速生长到我们机器人土壤孔隙的深处，在真正的土壤和我们的芯片之间建立了直接的生命联系。

这意味着我们可以研究一种只有在实验室研究中才知道的现象：“真菌高速公路”，细菌沿着“搭便车”穿过土壤扩散。细菌通常是通过水分散，所以通过做一些我们的芯片的空气填充，我们可以看细菌如何本身由以下真菌菌丝的摸索武器进入新的毛孔。

出乎意料的是，我们还在菌丝周围的空间中发现了大量原生生物——既不是动物、植物也不是真菌的神秘单细胞生物。显然，他们也在真菌高速公路上搭便车——这是迄今为止完全未开发的现象。

因为我们调查了我们的半机械人土壤碎片中的数百个可能的路径，包括数千个单独的孔隙空间，我们还可以量化这种情况经常发生。这表明菌丝必定是大量游动微生物扩散的重要载体，在地下微型城市觅食时赋予它们重要的优势。

在我们的机器人土壤中的访客，从左起：泥粒、真菌菌丝、线虫和微人类。信用：作者提供

地下工程

在我们的研究中，我们还想探索微生物城市是如何以及通过什么方式设计的。我们可以做到这一点的一种方法是观察土壤矿物质如何进入我们的芯片，在我们放置在地下的人造结构中创造真正的土壤空间。

当我们的芯片开始变干时，我们目睹了水是如何通过土壤孔隙被吸入的：土壤微生物经常暴露在水运动的海啸中，因为雨水和阳光破坏了它们的微小世界。由此产生的土壤矿物质模式看起来就像我们宏观世界中的河床系统。

塑造土壤微生物栖息地的不仅仅是物理力量。凭借其强大的菌丝尖端，真菌通常充当“生态系统工程师”，打开通道并用它们的细胞阻挡其他通道。他们负责微生物大都市的许多街道、大道和桥梁。

更令人惊讶的是，我们发现其他不那么“强壮”的生物也会改变土壤的微观结构。一个纤毛虫，例如，它具有小毛发状扩展运动，也可以强行土壤及其对粮食蓬勃觅食。

我们的机器人土壤研究最终有助于将野外生态学与受控实验室研究联系起来。它结合了研究现实、复杂的土壤生物群落的优势，同时仔细控制和调整养分供应或温度等因素，以便我们可以了解土壤及其微生物如何对地面变化做出反应。

但还有另一个好处。我们相信，观察土壤的隐藏世界及其有趣的居民可以帮助人们在情感上与这个重要的生态系统互动。其他生态系统长期以来一直有魅力动物来代表保护倡议。另一方面，土壤仍然与污垢和脏污有关。然而土壤支撑着我们 95% 的粮食生产。它们储存的碳量是生物圈和大气总和的两倍多。

我们想表明，当您将茶匙挖入地球时，您正在挖掘一个令人兴奋的秘密大都市的上游，该大都市拥有地球上四分之一的物种。勺子里的可爱生物并不脏：它们正在悄悄地提供重要的生态系统服务，支持地上的所有生命。这些土城居民迫切需要更好的保护。