法醫科學：壓力和擾動對土壤群落的影響/簡介
有殼變形蟲、thecamoebians 或 testaceans 是一個多系類群的單細胞變形蟲原生生物。在目前的分類學中，有殼變形蟲被歸類為變形蟲原生動物中的一個類群，包括Lobosea 類和Filosea 類，屬於根足蟲超綱。[1]
它們存在於世界各地許多生境中，例如苔蘚、土壤、泥炭地、湖泊、河流和河口環境。[2] 在土壤中，解釋其丰度和群落結構的主要因素是水分含量和水化學。變形蟲需要溼度，因為作為水生生物，它們必須始終生活在水中。如果條件變得不利，尤其是土壤變幹，它們有能力形成囊腫來避免乾燥。[1] 包囊化 在這些物種中也允許傳播。[3] 這些原生生物可以耐受很寬的溫度範圍，具體取決於物種，因此它們可以在熱帶和極地地區找到。研究還表明，地球上有殼變形蟲的分佈也受到pH 值的限制。有些物種可以在酸性沼澤 中生存，而另一些則可以在鹼性土壤 中生存，而只有少數物種能夠耐受這兩種生境。[4]
顧名思義，這類變形蟲的特點是存在一個外殼，而裸變形蟲 則沒有。這個外殼是由各種元素構成的。[3]
每個有殼變形蟲物種都具有特定的外殼形態和成分，這使得人們能夠識別和分類它們。即使在變形蟲死亡後，外殼仍然存在於土壤中，有時可以存在數百年。由於它們對環境擾動非常敏感，因此它們可以在各種研究領域（生態學、古生態學、古湖沼學、古氣候學、泥炭地再生、土壤和空氣汙染監測以及生態毒理學）中成為良好的生物指示器。[5] 它們的大小在 10 到 500 微米之間。大多數的大小在 20 到 200 微米之間，但也觀察到一些個體，大小可達 2000 微米。
有殼變形蟲透過其偽足 運動和進食。較小的物種主要是細菌食性。然而，較大的物種也可以利用其他食物來源，例如原生生物，包括其他有殼變形蟲或裸變形蟲、真菌、小型後生動物、藻類和碎屑有機顆粒。[4]
繁殖方式，目前仍知之甚少，是透過無性二元裂殖複製親本。在自然條件下，種群的倍增時間估計在六到十一天之間。[4]
對有殼變形蟲進行分類的兩個主要標準是外殼結構和偽足形態。根據外殼的成分，外殼型別可以分為三個主要類別
- 蛋白質外殼是有機外殼，由複合結構蛋白製成，可以是塊狀或均勻層狀。
- 粘合外殼來自外源收集的材料，例如矽藻 的礦物顆粒或 Euglyphida 的矽質片。
- 矽質或鈣質外殼由生物體自身產生的桿狀、釘狀或片狀結構構成。
根據偽足的形狀，有殼變形蟲可以分為兩組。有殼變形蟲中的 Lobose 類屬於變形蟲門，其特徵是具有葉狀或指狀偽足。有殼變形蟲中的 Filose 類屬於Cercozoa 門，其特徵是具有細長偽足。新的分子方法分子分類 的發展現在使得人們能夠重新評估基於偽足形態的分類。[2]
有殼變形蟲的兩個主要目是Arcellinida 和Euglyphida。Arcellinida 目屬於有殼變形蟲中的 Lobose 類，是數量最多的類群。它們大約佔所有已知有殼變形蟲物種的三分之二。Euglyphida 目屬於有殼變形蟲中的 Filose 類。
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法醫學是利用科學知識和方法解決刑事調查的學科。估計死亡後間隔 (PMI)是法醫學的主要目的之一，因為它在解決刑事案件中至關重要。事實上，它可以幫助我們瞭解事件發生的順序。目前，有兩種主要的方法來確定PMI。
- 醫學技術： 這些技術可以進行死亡後時間推算。例如，利用屍體的溫度或屍僵。這種方法可以估計從幾個小時到大約三天內的PMI。超過這個時間，醫學方法就不再適用。
- 法醫昆蟲學： 透過觀察幼蟲階段的蠅類和甲蟲，法醫昆蟲學家能夠估計幾周後的PMI。[6]
對於更長的PMI，這些技術就不再精確。因此，在過去幾十年中，科學家們注意到屍體會明顯地改變周圍環境，開始關注屍體對土壤成分的影響，以探索新的PMI確定技術。研究人員已經對屍體對土壤營養物質、pH值、真菌和微生物群落的影響進行了研究。研究表明，屍體下方土壤中的磷、碳和氮濃度（以及其他元素）以及pH值都會顯著升高。[2][7][8] 這些變化在屍體埋入地下兩年後仍然存在。[6] 在有屍體的存在下，細菌和真菌的數量也會大幅增加。[2][8]
因此，科學家們推測，屍體下方發生的這些重大環境變化可能會強烈影響有殼變形蟲群落的組成，而有殼變形蟲對包括水分、pH值、營養物質和獵物群落變化在內的多種因素非常敏感。[2]
有殼變形蟲在法醫學中的應用
[edit | edit source]有殼變形蟲是一類經常被用作生物指示劑的原生生物。生物指示劑是指可以用來檢測和定量表徵特定環境因素或環境因素組合的生物。例如，有殼變形蟲似乎是最適合的農業生物指示劑，因為它們對殺蟲劑處理高度敏感。[2] 有殼變形蟲可以作為生物指示劑，因為它們具備一些特點使其非常適合此類研究：[2]
- 它們的殼即使在生物體死亡後也能儲存下來，甚至可以在泥炭地中形成化石（在其他環境中，殼在死亡後不會儲存很長時間）。
- 它們存在於各種各樣的棲息地，數量非常多。
- 它們易於尋找和識別（即使這需要花費時間，並且分類學尚未完全確定）。
- 它們對非生物和生物環境變化非常敏感，它們的反應可以很快觀察到，可以透過形態適應和群落結構變化來識別。[2][9]
- 它們可以在壓力環境下進行包囊和脫囊。
一項研究關注屍體對有殼變形蟲群落的影響，結果表明，屍體會導致屍體下方有殼變形蟲的多樣性和數量大幅下降。觀察顯示，在22到33天后，屍體下方不再存在活的變形蟲。[5] 在主動腐爛階段結束後，即1到2個月，變形蟲群落會開始恢復，[span>6] 但即使在10個月後，恢復仍然沒有完全完成。[span>5]
數量下降可能由多種原因造成。一項補充研究表明，這與屍體下方土壤中氮和有機碳的顯著輸入有關。數量下降可能是由於缺氧條件或直接的高氮濃度造成的。[span>6][10] 此外，大量的營養物質輸入和pH值變化（由銨離子的攝入引起[span>7]）會導致細菌丰度和群落結構發生巨大變化。[span>6] 細菌是有殼變形蟲的主要食物來源，某些物種很可能對某種獵物非常專一。因此，任何獵物群落的變化都可能導致變形蟲群落髮生變化。[span>6][span>11][span>12] 事實上，多項研究已經證明，有殼變形蟲與水分、pH值、溫度、獵物可用性和營養物質變化密切相關，這些影響可能是直接的或間接的。[2] 屍體腐爛過程中群落結構的變化遵循時間順序模式，可以作為確定PMI的工具。
總之，將有殼變形蟲用於法醫目的，重點關注有殼變形蟲的群落結構、恢復時間和演替模式，是非常合適的。[5]
即使分類學仍然不完整，物種識別也需要花費時間，[span>2] 但分子方法的改進可能會使有殼變形蟲在法醫學中的應用更加容易獲得。
屍體對土壤的影響
[edit | edit source]生態系統中的屍體
[edit | edit source]分解過程是能量和物質迴圈的核心。事實上，菲利普·S·巴頓寫道：
“高達90%的植物產生的有機物質在生命體存活時不會被消耗，而是進入碎屑庫。動物消耗剩餘的10%，將其轉化為新的組織用於生長和發育，最終以排洩物和腐屍的形式將這些營養物質回饋給碎屑庫。”[8]
屍體進入生態系統會導致重大變化。事實上，它的快速分解過程、營養豐富和斑塊狀影響使其成為生物和化學活動的基本熱點（與植物相比）。[span>8]
此外，它會帶來生物多樣性的顯著增加，這是由於昆蟲、微生物、食腐動物和捕食者被這種不尋常的食物來源吸引而導致的。腐屍分解受溫度和水分影響，並會加速生態系統及其群落的時間和空間動態。空間動態受能量和營養物質流動的影響，時間動態受物種演替的影響。[span>8]
微生物在迴圈過程中至關重要，因為它們可以將基本營養物質礦化，使植物能夠吸收，而植物是食物鏈的最初環節。節肢動物和食腐動物會在水平方向上分散營養物質。最終，所有動物，無論是捕食者還是獵物，都會在死亡後重新進入分解迴圈。[8]
生態演替理論
[edit | edit source]生態演替 是指生態群落物種結構隨時間推移而發生的變化過程。時間尺度可以是幾十年（例如，野火之後），甚至是在大滅絕之後數百萬年。[13] 對於屍體而言，則以天為單位計算。
群落從相對較少的先鋒植物和動物開始，並隨著複雜度的增加而發展，直到成為穩定的或自我維持的頂極群落。演替的“引擎”，即生態系統變化的原因是已建立物種對其自身環境的影響。生存的結果有時會對自身環境造成細微而有時又顯而易見的變化。[14]
植物生態學和腐屍生態學中的演替之間的區別在於，一旦資源耗盡，腐屍生態系統不會達到頂極。[8] 儘管如此，許多研究表明，不同的生物群落（尤其是節肢動物）會隨著時間的推移而相互追隨，這與各種分解階段的進展相平行（在分解過程中，屍體的組成會迅速變化，提供各種食物）。例如，它允許使用昆蟲來評估PMI。有可能這個理論可以完全應用於檢驗有殼變形蟲。[2]
屍體對土壤的影響快速、巨大且區域性化，也被稱為“屍體分解島 (CDI)”。[7] 它釋放大量的營養物質，如氮、碳或磷。銨離子的釋放導致pH 值升高。[7] 這種變化遵循與屍體質量損失相關的可預測的時間模式。[8] 體液及其營養物質在土壤中的釋放極大地增加了微生物的生物量和活性。事實上，真菌和細菌的丰度和多樣性與土壤的養分含量直接相關。[7] 此外，在CDI 的邊緣，土壤更加肥沃，具有更廣泛的生物多樣性和生物量生產。
五個一般階段用於描述脊椎動物分解過程：新鮮、膨脹、活躍和高階腐爛以及乾燥/遺骸。[15] 分解的一般階段與化學分解的兩個階段相結合：自溶 和 腐爛。[16] 這兩個階段促成了化學分解過程，它分解了身體的主要成分。
- “新鮮”階段從心臟停止和體內氧氣耗盡開始。沒有氧氣，有氧代謝停止，細胞的酶促消化（自溶）開始。蒼蠅產卵，蛆開始啃食組織。細菌種群在 24 小時內開始增長。
- “膨脹”階段是由 48 小時後缺乏氧氣引起的，這會促進厭氧細菌，它們將糖和脂類轉化為有機酸，如丙酸或乳酸。這是腐爛階段。氣壓透過孔口（嘴巴、鼻子、肛門）將體液排出體外。
- “活躍腐爛”階段從滲漏和蛆導致的體表破損開始，這使得氧氣重新進入，蛆和有氧活動再次增加。在這個階段，質量損失是巨大的。
- “高階腐爛”階段發生在蛆轉化為蛹時。在這個階段，土壤中碳、養分和 pH 值的增加與對土壤生物學的積極影響無關。事實上，由於氮中毒和窒息等多種原因，植被和大多數生物，如彈尾類和蟎類，都會死亡。
- “乾燥”和“遺骸”階段是分解過程的最後階段。“乾燥”階段的特點是 CDI 周圍的植被增加。“遺骸”階段的特點是 CDI 內部的植被增加。由於易於獲取，養分和水分迅速耗盡，但土壤中養分濃度不會下降。彈尾類和蟎類種群減少，真菌由於高氮含量形成子實體。
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處於新鮮分解階段的豬屍體 -
處於膨脹分解階段的豬屍體 -
處於活躍腐爛分解階段的豬屍體 -
處於高階腐爛分解階段的豬屍體 -
處於乾燥/遺骸分解階段的豬屍體
繼對屍體對有殼變形蟲土壤群落影響的古代研究之後，[5] 我們的研究需要驗證觀察到的變化是否真正歸因於完整的屍體或僅歸因於其體液。因此，該研究將比較豬屍體、豬血和牛糞的影響。血液和糞便在確定 PMI 方面可能很重要，因為如果屍體丟失，它們是犯罪現場唯一剩下的元素。此外，它們對有殼變形蟲群落的影響尚不清楚。本研究的最終目標是確認在法醫學中使用有殼變形蟲是合理的，並拓寬該新科學領域中稀缺的知識。
為了實現我們的目的，將設定三種處理並應用於土壤和凋落物：豬頭、豬血和牛糞。還將設定一個僅由土壤和凋落物組成的對照。處理的跟蹤持續四周，取樣日每週進行一次（總共四次）。
豬頭處理旨在模仿屍體對土壤的影響，儘管血液和糞便可以測試體液的影響。
為了分析處理對土壤群落的影響，將測量三個引數：呼吸測量法、pH 以及物種多樣性 和活體和死亡有殼變形蟲的相對丰度（活體/死亡比率）。
- 物種多樣性和活體和死亡有殼變形蟲的相對丰度是自然分析的，因為這些生物對干擾反應良好，這意味著群落的變化可以用作 PMI 測定的工具。
- 呼吸測量法可以測量土壤生物的代謝活性。呼吸計測量的 CO2 流量增加意味著土壤代謝活性增加，但不一定意味著有殼變形蟲群落增加。這些資料可能有助於確定土壤代謝活性增加（細菌、真菌……）和變形蟲丰度增加之間是否存在潛在的相關性。事實上，有殼變形蟲以細菌和真菌為食，獵物丰度增加通常會導致捕食者丰度增加，但有殼變形蟲對獵物或非生物環境的變化非常敏感，因此不一定觀察到這一點。
- 測量pH 是因為有殼變形蟲對此非常敏感，因此 pH 值的變化應該與變形蟲群落的變化相關。這將證實先前的研究。
有殼變形蟲是極其多才多藝的生物，它們的繁殖週期短，應該能夠觀察到種群在四種處理和時間段內的變化。它們對乾燥和 pH 值敏感。因此，預計在每個處理罐中隨著時間的推移會發現不同的有殼變形蟲物種組合和不同的活體/死亡比率。
三種處理應該對水分和pH值產生不同的影響，而水分和pH值都是決定被囊變形蟲群落結構的因素。[2] 事實上，水分率的增加應該會增加變形蟲的 物種多樣性，因為它們生活在土壤水中並依賴於它。相反，pH值的改變應該會降低變形蟲的物種多樣性，因為它們對pH值高度“依賴”。pH值和水分率應該會產生直接和間接的影響。直接影響可能是由非生物條件的變化引起的，間接影響可能是由獵物群落物種多樣性的變化引起的。[2] 豬頭和牛糞的存在應該會使凋落物中的土壤溼度率高於對照和血液處理，這應該會導致活體被囊變形蟲物種多樣性的增加。豬頭和血液的存在應該會使pH值升至更鹼性的條件，這應該會導致活體被囊變形蟲物種多樣性的減少。糞便應該會使pH值降低至更酸性的條件，這也會導致活體被囊變形蟲物種多樣性的減少。
土壤的 養分含量也對土壤群落有巨大的影響。養分（如碳、氮或磷）的增加可能會透過例如完全改變細菌菌群的組成來極大地改變土壤群落的組成。事實上，養分會產生影響，因為它們既可以作為營養元素，也可以改變pH值（例如銨離子）或具有毒性（例如過量的硝酸鹽）。
根據這些預測，對照組樣品應該是最乾燥的，並且pH值變化最小。因此，被囊變形蟲群落不應該隨著時間的推移發生變化，除非由於乾燥或潮溼的天氣條件。
牛糞處理組樣品應該略微溼潤一些，因為糞便形成了一層防水層，並保持了凋落物中的溼度。透過這種方式，我們預計會看到土壤酸化，並且嗜酸性變形蟲物種（如Arcella sp.、Assulina muscorum、Corythion dubium、Difflugia lucida、Euglypha sp.、Nebela collaris 和Nebela tincta）應該會變得更加豐富。[2][4] 糞便分解過程相當漫長，因此其對土壤養分含量的影響在頭兩週內應該不會顯現出來。[4] 然後，分解者將養分引入土壤的過程應該會改變獵物群落，並降低活體被囊變形蟲的物種多樣性。
血液處理組樣品應該與對照組一樣乾燥，但血液應該會影響土壤的pH值和養分含量，因此應該會看到一些群落演變。獵物群落的變化應該會對活體被囊變形蟲群落的物種多樣性產生負面影響，因為它們是相當特殊的捕食者。
豬頭處理組樣品應該會受到pH值變化的影響。頭兩週，pH值應該會升高，並達到略微鹼性的水平。然後它應該會恢復到中性水平。這應該會影響變形蟲群落，並允許嗜鹼性物種（如Centropyxis aerophila、Nebela bohemica 和Nebela lageniformis）擴散。[18] 由於腐屍液體的影響以及頭部陰影，水分含量應該會高於其他樣品。這應該有利於繁殖率。[4] 土壤的養分含量應該會增加，並對活體被囊變形蟲群落產生負面影響，就像血液處理一樣。
參考文獻
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