一個渦流協方差塔幫助研究人員測量亞利桑那州聖卡塔琳娜山脈的森林-大氣氣體和水的交換。Credit: Department of Environmental Science, University of Arizona
（神秘的地球uux.cn）據美國物理學家組織網（作者：Jake Kerr and Rosemary Brandt, University of Arizona）：“臨界區”這個名字可能會讓人聯想到20世紀80年代的動作驚悚氛圍，但這是科學家用來指地球表麵負責維持生命的區域。它是行星結構的一小部分，從地下水下方的基岩一直延伸到低層大氣。
亞利桑那大學農業與生命科學學院環境科學係主任喬恩·喬羅夫說：“把它想象成地球的皮膚。”。“它有時被稱為岩石與生命相遇的地帶。”
喬羅弗說，大多數人甚至地質學家通常都不認為岩石是生命的基礎，也不認為生命會改變岩石，但這觸及了臨界區科學的核心。
關鍵地帶是一個相對較新的地球科學框架，它使各學科的研究人員能夠更好地理解物理、化學和生物過程的微妙網絡是如何結合在一起形成地球生命支持係統的。
作為一名生物地球化學家，整個係統方法是一種思維方式，對喬羅夫來說是自然而然的，他在職業生涯的大部分時間裏致力於解開化學和礦物風化驅動從土壤微生物組到碳循環的一切進化的方式。
喬羅夫最近與北京北京大學博士後研究員錢芳一起發表了聖卡塔琳娜-傑梅茲河流域臨界區觀測站收集的近10年數據的結果，該觀測站橫跨新墨西哥州北部和亞利桑那州南部岩石盆地的海拔梯度和氣候。
根據喬羅夫的說法，他們的發現為碳消耗微生物的活動和關鍵區域岩石向維持生命的土壤的轉化提供了“確鑿證據”。
露天生活實驗室
在過去，測量礦物風化之類的東西通常不是那麽令人興奮，想象一下研究人員在實驗室裏打碎大塊岩石，看著它在燒杯中溶解，但在自然生態係統中觀察這一過程則是另一回事。
在Santa Catalina Jemez河流域臨界區觀測站，測量森林和大氣之間水交換的塔、讀取能量和氣體傳輸的土壤探針以及其他一係列環境儀器為科學家提供了臨界區內複雜係統的第一手視圖。
該站點是美國國家科學基金會更大的關鍵區域觀測站項目的一部分，與傳統的實體觀測站不同，該項目提供了一個由美國各地的科學儀器操縱的區域生態環境網絡。
現場的溫度、濕度和氣體傳感器每15分鍾收集一次測量值，在匯編和關聯數據後，“我們發現岩石風化形成土壤的速度與地下微生物組的活動之間存在著密切的關係，”Catalina Jemez天文台的首席研究員喬羅夫說。
打破岩石的生命周期
方說：“礦物、微生物和有機物是地球表麵最重要的組成部分。”。“它們不斷相互作用，為所有陸地生命提供營養、能量和適宜的生活環境。”
方解釋說，臨界區的這些礦物質不斷受到微生物、有機酸和水的攻擊。隨著礦物質的分解，土壤中的微生物消耗新的有機物質，並將其轉化為植物和其他微生物的飼料，同時釋放二氧化碳。
先前的研究表明，當更多的“新鮮”有機物（如植物物質）被引入土壤係統時，土壤有機物的微生物分解可以得到促進。這一過程被土壤科學家稱為“啟動效應”。然而，礦物風化和微生物引發之間的關係仍不清楚。
方說：“我們的研究首次表明了這些重要的土壤過程是如何耦合的，這兩個過程持續影響土壤形成、二氧化碳排放和全球氣候。”。“這種聯係甚至可能與長期的元素循環和地球上土壤碳和養分的快速周轉有關。”
雖然很容易將植物和微生物的成功視為幸運的環境環境，但喬羅夫表示，這項研究證明，即使是臨界區的最小部分也可以發揮重要作用。
喬羅夫說：“這表明，生命不僅僅是關鍵區域演化軌跡上的被動乘客，而是在決定地球表層演化方向和路徑方麵的主動工程師。”。
這項研究發表在《自然通訊》雜誌上。