科学家如何利用巨型仙人掌的“气息”展开无伤研究

亚利桑那州标志性的巨型仙人掌似乎像静止的哨兵，守护着索诺兰沙漠的景观。但在它们静止而多刺的外表下，这些高耸的仙人掌实际上在振动，研究人员开发了一种新工具来记录它们的频率。

利用地质设备，科学家们成功分析了巨型仙人掌的自然振动，创建了一个新的框架，让科学家们可以在不切开植物的情况下研究沙漠植物的内部结构。

犹他大学的一位地质学家开发了这种新的非侵入性方法，通过重新利用原本用于测量岩石振动和监测地震的技术，来研究巨型仙人掌的结构特性。研究结果上个月发表在《美国植物学杂志》上。

在之前的研究中，植物学家们将巨型仙人掌切成段，以更好地了解它们的内部结构，通过在柱子的不同部分加重来测试仙人掌的柔韧性。这种侵入性的方法可能导致巨型仙人掌死亡，而它们的成熟可能需要数十年。

“我主要使用环境振动地震学来研究和监测岩石结构的特性，”摩尔说。

“我意识到我用的测量和分析技术也可以应用到生物力学领域，原因是一样的。”

尽管外表僵硬，巨型仙人掌（saguaro）在反应环境干扰和地震能量时不断振动。

研究表明，在大风天气下，它们的振动速度较快，而在温和的天气中则较慢，这些振动可以为科学家提供关于仙人掌内部结构的宝贵见解。

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巨型仙人掌面临环境威胁

巨型仙人掌是索诺兰沙漠中的关键物种，为鸟类、蝙蝠、昆虫和其他野生动物提供了宝贵的庇护和食物。

巨型仙人掌可以长得像树一样高，但它们的内部结构却截然不同。在2英寸的刺和水分丰富的绿色果肉下，沙漠的高塔由木质的肋骨框架支撑。

这个物种在亚利桑那州受到法律保护，未经许可，伤害、移动或杀死巨型仙人掌都是违法的。

近年来，沙漠大戟仙人掌的数量正在下降，主要是因为气温上升和长期干旱。

随着老一代沙漠大戟仙人掌的死亡，年轻的仙人掌可能需要几十年才能接替它们的位置，前提是它们能在极端天气条件下成熟。亚利桑那州游戏和鱼类部门的一份最新报告还发现，外来驴群通过吃掉为幼苗提供阴凉的本地植被，正在危害沙漠大戟仙人掌。

2025年一项研究发现，凤凰城沙漠植物园的沙漠大戟仙人掌死亡率近年来有所上升，从2015年至2020年约为2%，到2023年跃升至7%。到2024年，这一比例降至略高于3%。

沙漠大戟仙人掌还面临其他威胁，比如野火和入侵物种。

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地质学家在图森找到灵感

摩尔在图森探望家人时，周围是索诺兰沙漠，这时他想到了他的研究创意。他可以把用于测量地面振动的技术改成记录沙漠大戟仙人掌振动频率。

在获得皮马县（Pima County）的许可后，摩尔在图森山公园（Tucson Mountain Park）进行了研究，该公园是一个与萨瓜罗国家公园（Saguaro National Park）相邻的20,000英亩的保护区。

他寻找萨瓜罗“矛”，这些是高大的单柱形标本，并小心地将地震仪绑在它们上。

实际的数据收集过程相对较快。每个仙人掌在安装好设备后只记录了十五分钟。摩尔记录了11棵不同高度的萨瓜罗的结果。

摩尔怀疑仙人掌的水分含量是短期振动变化的驱动因素，但结果却呈现出更复杂的情况。

研究发现，每个萨瓜罗的共振频率在白天和夜晚之间变化，表明仙人掌的表皮变得更坚硬或更柔软。

摩尔说：“这超出了我的专业领域，我不知道这种外皮和仙人掌表皮每天发生了什么。但显然有些东西在变化。”

最终，摩尔希望科学家能够采用这一新的监测工具，了解萨瓜罗仙人掌的结构健康，同时不对其造成伤害。

摩尔说：“能为这些在索诺兰沙漠中有着重要文化价值的‘哨兵’贡献一份力量，真是太好了。”

约翰·利奥斯为《亚利桑那共和国》和azcentral报道环境问题。如果有任何建议或问题，请发邮件至 john.leos@arizonarepublic.com.

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