非洲沙漠的“巫婆圆环”之谜解析
图1. Yvette Naudè及其同事们在纳米比亚的巫婆圆环处取样。
自然界的奇幻现象一直吸引着科学家寻找其成因。对于非洲纳米比亚沙漠中的的巫婆圆环，如今，科学家们已能运用先进的分析方法进行研究，并得出了合理的科学解释。
位于非洲西南部的纳米比亚共和国，大部分的土地是荒草交织的沙漠地带，昼夜温差较大，一些地方的白天气温超过50℃，而夜间则下降到0℃以下。每天当太阳升起时，沙漠温度迅速上升，同时还将光线撒落到充满奇幻色彩的纳米比亚广漠荒原上的巫婆圆环，环环相扣，赋予沙漠浅棕色肤色的面容。由于其特别的排列方式，在北纳米比亚生活的游牧民族辛巴人称之为栖身于沙漠中的龙，口中喷火，随热风升出地面，呈圆环状而降入地里。
这种充满浪漫气息的描述当然没有科学道理。针对巫婆圆环如何形成，有一些勘探者认为：这种巫婆圆环是由那些觅食的小型等翅目昆虫在啃食荒漠野草时所留下的圆形孔洞。还有一些专家则怀疑是蚂蚁所为，蚂蚁按照这种特殊的几何形状吃掉了土壤中的种子，从而造成这种同心圆式的无植被的状态。
“但情况并非如此”，南非比勒陀利亚首都大学的科学家们认为。这些从事化学领域的专家Yvette Naudè、Egmont Rohwer 和植物学专家Gretel van Rooyen女士特意前往纳米比亚，应用仪器、化学分析的手段，针对巫婆圆环的奇怪自然现象，找出了符合自然科学的合理解释。他们的研究首次运用严肃缜密的推论，用地球化学过程解释了巫婆圆环的成因。
巫婆圆环植被稀少之谜
Naudè 及其同事们在沙漠现场所做的第一件事，就是进行实地勘察，类似于刑侦警察勘察犯罪现场。Yvette Naudè描述了他们的观测结果：巫婆圆环呈圆形，不含植被，土壤有一些枯黄或者死亡的植被，一般情况下，四周围绕着比较茂盛的植被。枯黄草丛中没有发现任何被昆虫啃食的痕迹。根据巫婆圆环边缘部分具有茂盛植被的现象，起初的推断是，这些植物也许释放着某种与其他植物相克的化合物，从而伤害那些在其生活范围内具有竞争性的植被。
那么位于巫婆圆环边缘的茂盛植被真的有此能耐吗？这种仅通过表面观察而作出的推断看似合理，然而栽培试验表明，植物相克说并不成立，毕竟巫婆圆环本身还不是完全不含植被的沙质土地。“这种巫婆圆环中的沙地看上去令人震撼，”研究者们说：“它类似于人们在海底发现的、源于从地底上升的气泡所形成的弹坑景状”。为追溯这种因果关系，Yvette Naudè 及其同事提出了另一种假设，地球形成时的气体和液体对这种巫婆圆环的产生起了作用。
图2. 烯烃和烷烃的热解析测量色谱图。
检测土壤中的气体组成
科学家们按照如下方式启动调查研究：在所选定的巫婆圆环地带以及其中没有植物异常的区域，对土地的气体组成进行测定。在白天，采用便携式气体分析仪多次测量一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氧气（O2）、硫化氢（H2S）以及二氧化氮（NO2）的含量。Naudè表示，根据这种气体分析结果可对土壤化学作出若干结论。CO指示出天然气的存在，天然气虽然不具备对植物的毒性，可是对植被生长而言也是一种消极因素。研究已经证明，碳氢化合物提高了具有氧化作用的细菌和对硫起还原作用细菌的活性，从而降低了土壤中氧的含量。“这与巫婆圆环中氧含量周期性的降低无关，气体的出现本身就可导致有机酸的形成，反过来又会影响到土壤的pH值，以及重要的矿物质的供应。”Naudè解释道。
热解析-GC/MS分析
为了对巫婆圆环土壤中的碳氢化合物的组成提供准确数据，科学家们采用了热解析（Gerstel TDS）与GC/MS联用的分析方法。“该法的优点是：成本低廉、操作简单且无需使用有毒的有机溶剂。”Yvette Naudè表示。热解析-GC/MS法在提取、分离过程中所需的样品量远远少于传统的索氏抽提法。科学家们在选定地点取样，将40g样品被装入备用的玻璃容器中，置入具有聚二甲基硅氧烷外膜的Gerstel搅拌磁棒，将容器密封，于50℃温度下加热50min。当搅拌磁棒从样品溶液中移除时，在磁棒的一端发现粘附明显的磁性颗粒，进一步证实了碳氢化合物在土壤中微渗漏的理论。
图3. 应用聚二甲基硅氧烷软管对巫婆圆环沙土样品进行有机物的提取，这种软管适用于Gerstel 热解析系统的玻璃内衬，该内衬连接GC/MS分析。
为了消除磁性颗粒对热解析-GC/MS的干扰，Naudè采用了1根长约10cm的聚二甲基硅氧烷软管作为提取介质，将其与土壤样品一起于容器中摇动，加温后将提取管移出，转入热解析系统(TDS)的玻璃内衬管，对有机分析溶质进行热解析，然后在冷进样系统（KAS）中进行冷聚焦，借助温度程序转入GC柱上进行分离。检测得到的结果支持了科学家们的假设：“实验检测到烯烃，此乃烷烃经微生物降解所得的产物。巫婆圆环中心部分土壤中的烯烃含量较高，而在基体中含量较少，这就是说，土壤中不存在植物生态学异常。”结论再一次证明了土壤中具有高的微生物活性，根据这种烷烃和烯烃的含量比例关系，可以推断巫婆圆环中具有微生物活性的范围很小。“我们的结果不支持关于蚂蚁的理论”， Naudè如是说。
关于热解析技术
采用热解析技术可以规避在进行传统萃取如索氏抽提操作中所出现的问题。热解析技术的特点：
无需使用有毒的溶剂；
仅需少量的样品用量；
操作简便。
正是凭借这些特性，热解析成为水质和环境分析有效的样品前处理技术。
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