冷门的蜗牛化石与热门的全球变暖

最近,中科院地质与地球物理研究所董亚杰副研究员在Nature Communications上发表了一篇“”的文章,被善意调侃为:用冷门的古生物化石研究热门的全球变暖问题。不过换一个角度看,这也是对“冷门”的坚持不懈和对于“热门”的专心致志……。

先说热门,这个夏天,一浪接着一浪的高温,伴随着红色预警,从黎民百姓到企业政府,多少都感受到气候变暖的压力或不安。全球变暖已经成为近年来科学、社会、公众高度关注、政府间博弈的全球性热门话题。

科学界有责任回答公众的关切和疑问,例如:过去的气候是如何变化的,目前的气候变暖有没有达到过去全新世(约1万年以来)最温暖程度?今后如何发展等等?这些都是无法回避的问题。

回答这些问题,科学界有两种途径:(一)地质记录;(二)古气候模拟。目前这两种途径产生了矛盾和分歧。地质学家依据近半个多世纪积累的地质记录,确认中全新世(大约8000~4000年)存在一个温度比今天高约2-3度的大暖期,4000年以后气候是持续降温的;但古气候模拟专家并没有模拟出这个大暖期,他们模拟出的结果是:1万年以来全球温度一直在持续变暖!这种分歧,被称为“全新世温度变化之谜”(The Holocene temperature conundrum)。

今天是过去的延续和投影,如果按照地质记录,4000年以来自然气候一直是降温的趋势,可以为应对人类释放温室气体引发的快速变暖,提供宝贵的缓冲时间。如果按照古气候模拟结果,1万年以来自然气候一直是升温的趋势,叠加上人类活动-温室气体的,那将是火上浇油!全新世地球温度到底是怎么变化的呢?事关人类社会的发展,备受关注。

古气候模拟专家相信,模型没有问题,因为利用这些模型的原理、算法等成功地支撑着今天全球的气象预警、预报和社会经济的发展。气候模拟专家开始从地质记录上找原因,认为地质学家利用地质记录重建的中全新世大暖期温度,主要受到夏季高温贡献的控制,而不是真实的年均温度信号。他们去除了夏季季节性偏差后的全新世地质记录温度变化趋势和古气候模拟结果是一样的,也就是说1万年以来全球年均气温确实是在持续上升的。相关论文发表在《自然》(Nature)等杂志上,宣布“有效地解决了”全新世温度变化之谜,“解决了困扰气候科学家多年的难题”。

但是,许多地质学家并不认这个账,因为眼睁睁看着从地层土壤剖面特征到各种气候环境指标,都指示中全新世要温暖得多,无法理解这些特征-指标主要是由夏季温度控制的,因为这需要其他三个季节更寒冷、才可以匹配上模拟的结果……;莫名其妙,但又苦于不了解古气候模型具体是如何运转的,对于部分气候模拟专家拐弯抹角认定地质学家辛辛苦苦重建的年均温度变化主要是夏季温度贡献的结论,很是委屈。自己的证据自己最了解,如何向学术界证明地质记录可以重建年均温度信号?是补偏救弊的关键。

这是一个需要专心致志论证的工作,从逻辑上:(1)可以首先通过现代过程测试、验证气候替代指标揭示四个季节温度变化的能力和可信度,进而建立定量的转换函数;(2)再通过地质记录替代指标转换出四个季节温度和年均温度在全新世变化的过程和趋势;(3)评估不同季节温度对年均温度随时间的贡献大小,明确全新世年均温度变化趋势是否由夏季温度控制?

接下来的难点是,筛选什么样的气候替代指标?一般认为陆地生物指标对于季节性气候变化相对敏感,但是分析检验表明,长生命周期(如几十-百年以上)的和超短生命周期(夏虫不可语冰)的生物组合指标,在揭示春夏秋冬温度变化敏感性方面,有相对大的误差范围,或者有的季节通不过检验;比较合适的是年际(1-3年)生存周期的生物,例如蜗牛,分布广、种类多、数量丰富,对季节性温度变化敏感,被认为是最适合通过现代过程建立其与季节温度定量关系的气候指标。

天时、地利、人和,基于课题组多年对新生代陆生软体动物研究的基础,本论文首先成功建立了全国现代蜗牛组合分布与四个季节温度和年均温度的定量关系,并基于两个黄土高原剖面蜗牛化石记录,(1)重建中国北方20000年以来四个季节温度和年均温度变化序列;(2)根据四个季节温度计算的年均温度与独立重建的年均温度变化趋势一致,都显示出从8000年至4000年期间是温暖期,4000年以后呈现出明显的降温趋势(图1);(3)通过方差贡献计算四个季节温度分别对年均温度变化的贡献率,揭示四个季节温度对于年均温度变化幅度(正、负)都有贡献,其中夏季和冬季温度对年均温度变化幅度的贡献显著大于春季和秋季(图2),不存在夏季温度控制年均温度变化趋势的事实。

也就是说,根据软体动物——蜗牛化石重建的四个季节和年均温度变化趋势表明,由年均温变化控制的中全新世大暖期毫无疑问是存在的,4000年以来自然气候变化趋势确实是一直降温的。

图1 黄土高原耀县、泾川剖面全新世四季温度(左),与直接重建的年平均温度(右,蓝色菱形和线)和模拟平均温度(右棕色线)比较。

图2 全新世耀县(a)和泾川(b)不同季节温度相对年均温度贡献随时间的变化,以及它们与季节日照的关系(c)。

文章发表后,一些古气候模拟专家来信讨论,也认为有必要再从模型敏感性和边界条件上找原因:在模型敏感性方面,目前大部分的GCM有可能对温室气体设置的敏感性偏高,而对轨道驱动的敏感度偏低;在边界条件方面,相关的古气候模拟并没有考虑非洲大陆沙漠区中全新世植被变化、也没有考虑到南极海冰变化等等。

再说冷门的蜗牛:还记得那个北京大学“六代单传”的专业吗?古生物学,被认为冷门专业界的代表。蜗牛化石是古生物学众多门类中更冷门的一种。知道蜗牛的人很多,把蜗牛化石作为专业学习的人很少,研究蜗牛化石的专家更是屈指可数。

早年中科院南京古生物研究所余汶研究员培养的一批研究软体动物腹足类化石的学生,改行的改行,退休的退休,目前在中科院地质地球所的古生态课题组还算留了一条线,李丰江、董亚杰作为余汶先生的学生(吴乃琴研究员)的学生,从硕士到博士后,一路学习研究下来,与老师同门一起,默默地守护这个方向,开拓这个领域。

刘东生先生在世时一直用心培育着这个方向,他亲自出面,国内请来陈德牛研究员、国外请来法国的Rousseau Denis-Didier教授,合作开展黄土高原的蜗牛化石研究。针对研究中遇到的困惑和问题,刘先生有针对性地说“……研究工作要有自己的体系,这是最重要的,就怕不成体系。没有体系就没有特点,一个单位没有特点要这个单位做什么,……”。课题组针对当时国内外蜗牛研究背景,明确了三个相互关联的事情,或者说成体系的事情:(1)理清我国常见蜗牛化石系统分类;(2)获取我国现代不同气候带、不同土壤环境的定量的蜗牛组合;(3)在上述基础上,研究黄土高原新生代以来风尘沉积蜗牛化石记录。

在梳理蜗牛化石系统分类过程中,遇到3个主要困难是:(1)与现生蜗牛分类的差别;(2)与欧洲草原区蜗牛分类的关系;(3)与模式标本的对比。其中,为了准确鉴定命名一些不常见的蜗牛化石,需要与模式标本对比时,常常大费周折。因为由于阎敦建先生(1943)当年定名的中国蜗牛化石模式种标本,许多分散在法国等欧洲的几个博物馆中,需要利用各种去欧洲或者法国开会、交流的机会,千方百计地看到中国蜗牛的模式标本,这是最考验耐心的时候,需要坚持不懈。

在过去的30多年,古气候研究逐渐进入从定性到定量研究的转变阶段,前提是要系统分析和建立现代不同气候带表土环境指标与气候的量化关系。不像花粉等微体化石表土土壤样品的采集量,每个地点有几十克土壤就够了,每个蜗牛采样点表土样品至少要采集十多公斤以上,辛辛苦苦筛洗后,还不能够保证每个地方的样品都有蜗牛。虽然进行了二十多年的努力,目前也只有不到400个地点的合格的蜗牛组合,只覆盖着我国长江以北的大部分区域,这是一个很难出成果的基础工作积累过程,需要坚持不懈。

最辛苦的是以高分辨率(约~10cm采样间距)从数百米厚的黄土高原地层中一个一个地获取蜗牛组合变化的系统记录。当年定了一个目标:完成一个600万年以来完整的黄土高原蜗牛化石序列,这应该是世界上最长的、分辨率最高的陆地新生代生物化石序列。很遗憾,迄今还留有一段约20万年左右(240~260万年之间)的黄土地层,直到吴乃琴退休,也没有完成全部蜗牛化石的采集,这段计划完成的目标地层,还静静躺在甘肃西峰(庆阳)150-200米深的沟谷中,需要每10cm采集15公斤样品,而且要一袋袋背上塬面,找水筛洗,这不仅考验耐心,考验体力,更考验团队协作能力,需要坚持不懈(图3)。

从冷门的蜗牛化石到热门的全球变暖:古生物学是生命科学和地球科学的交叉学科,不仅可以研究生命的起源、发展历史、生物宏观进化模型、节奏与作用机制,而且又是地球科学的一个分支,研究保存在地层中的生物遗体、遗迹、化石,用以确定地层的顺序、时代,了解地球发展的历史,推断地质史上水陆分布、环境变迁、沉积矿产形成与分布的规律。研究气候变迁和全球变暖,也正是蜗牛的用武之地。把冷门研究成为热门,需要有缘人对“冷门”的坚持不懈,和对于“热门”的专心致志……。

生命故事丨“活化石”水杉记录了哪些地质环境变迁历史

央广网北京10月14日消息 据中央广播电视总台中国之声《新闻超链接》报道,水杉,杉科水杉属唯一的现存种,第一批被列为中国国家一级保护植物的稀有种类,在植物界素有“活化石”之称。本期生命故事将重点为您介绍这一古老珍贵的植物。

水杉是落叶乔木,小枝叶片对称生长,呈下垂状,喜欢湿润的生长环境,适应性强。在中生代白垩纪和新生代,水杉属约有6~7种,但过去被认为早已绝灭,直至1941年在中国四川被重新发现。

水杉是如何被重新发现的?为什么被称为“活化石”?除水杉外,“活化石”植物还有谁?生物间的高级与低级如何区分?

水杉是唯一一种先发现化石,后发现活植物的物种。上世纪,日本植物学者率先在化石层中发现了这种当时科学界没有见过的植物,并为其定名。当时,科学界普遍认为水杉在地球上已灭绝多年,且消亡时间甚至要以百万年、千万年计算。直至1941年,中国植物学者干铎在四川省万县磨刀溪镇(现属湖北省利川市)首次发现了活的水杉树;1943年,王战正式采集到水杉标本;1948年,胡先骕、郑万钧联名发表论文,正式为水杉定名。中国学者发现水杉的故事也一度在植物生物学界成为一段传奇。

除水杉外,我国还拥有很多“活化石”植物,例如,水松、鹅掌楸、银杉、银杏等等,其中,以银杏最为常见和著名。

银杏,中生代孑遗稀有树种,系中国特产,祖先源起于2.45亿年前,在经历了地质历史时期全球气候与环境的动荡变迁、人类历史活动的干扰后仍存活至今,并被广泛栽培。

现生银杏是古老银杏家族中的唯一幸存者。中国地质科学院正高级工程师蒋子堃曾用2亿年前的银杏化石层与现生银杏进行比较研究,结果发现,两个时代的银杏在“长相”上基本没有区别:有长柄,叶片呈扇形,顶部边缘有2裂至多裂凹齿,春夏颜色呈浅绿,秋季变为金黄。对此,中国植物学会科学传播工作委员会成员、科普作者史军指出,银杏等“活化石”植物自身可能具有存活上亿年的特殊生存本领,以不变应万变,是非常强大的物种。

为什么要将古老、珍稀的植物物种称为“活化石”?史军认为,核心原因在于这些物种在地球上存在了非常久远的时间,从远古至今,很大程度上记录了整个地球地质环境变迁的历史。但史军同时也指出,“活化石”并不是一个严格的定义,“化石就是化石,在地球上生存着的植物,本身就是生态系统中的组成部分,‘活化石’的概念不贴切,不适合泛泛地使用与推广。”

水杉和银杏凭借自身的智慧在几亿年的生存过程中应对了无数变迁,甚至“送走了”恐龙,存活了下来,这样的物种是否强大?与人类相比,谁才是地球上的“王者”?谁更高级?

史军指出,物种的高级低级,复杂简单,其实都是一个异常相对的概念。人类通常认为自己是最高级的物种,拥有上万亿细胞,具有复杂的机体构成并创造了人类文明和多种文化。但相较于其他生物,人类在地球上出现的时间其实十分短暂,即使将灵长类中的人属祖先囊括在内,人类出现的时间也不过短短600万年。反观其他生物,例如,水中的蓝藻,虽然只有一个细胞,却已存在几亿年甚至十几亿年,而被称为“高级、复杂”物种的人类真的能够在地球上生存那么久吗?生物高级低级的判定标准又该由谁来决定?都是值得我们思考的问题。

“每个生命出现在地球上都是合理的存在,我们应该更好地学习与它们的和谐共处之道,从不同物种身上学习和了解地球的历史以及这些生命在这些历史中所具备的生存智慧并应用到人类未来发展之中。”史军说。

寒风萧萧来,又见水杉红。已进入大雪节气的江城武汉,近期持续低温雨雪天气,而随着天气越来越冷,新洲涨渡湖湿地自然保护区内的一万余株水杉迎来了最美季节。已进入大雪节气的江城武汉,近期持续低温雨雪天气,而随着天气越来越冷,新洲涨渡湖湿地自然保护区内的一万余株水杉迎来了最美季节。

12月9日,在江苏省宿迁市泗洪县,水杉林色彩斑斓,景美如画。新华社发(许昌亮 摄)

水杉,杉科水杉属唯一的现存种,第一批被列为中国国家一级保护植物的稀有种类,在植物界素有“活化石”之称。本期生命故事将重点为您介绍这一古老珍贵的植物。