作者:贺涛 来源:《科学新闻》 发布时间:2010-5-24 13:06:21
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《科学新闻》:逼近真实的远古气候

漫长而连续的化石记录、现生的对照种以及缓慢的演化速率,这些特质让水杉成为最适宜的古气候指针之一
 

杨洪

 
“猜猜这些水杉化石的形成年代距今多久了?”杨洪从装满实验材料的冰箱中取出一个比烟盒稍大的黑色盒子,打开让记者观看。盒子里是像碎烟叶一样的片状物,这些碎片的基底为深褐色,里面镶嵌着黑绿色的叶片。
 
面对从几十万到几百万年的猜测,杨洪抛出一个答案,“这些材料是距今4500万年前的超常保存的水杉化石”。
 
杨洪是美国布莱恩特大学教授。近几年,他的主要科研工作就是解读这些化石材料中隐藏的古代气候信息。他与合作者建立的一套重建古近纪(旧称早第三纪)时期高纬度地区水气环境的新模型,不仅模拟精度比以往的模型更为精确,还解释了旧模型无法解释的高纬度植物化石氢同位素值。
 
从化石中“刨”答案
 
对新生代的气候研究,一直是科学界的重点和热点。特别是在新生代的第一个纪——古近纪——存在一个显著的全球变暖时期和几个短时骤热事件,在科学家看来,古近纪全球变暖的背景可以作为研究现代气候变化的重要的地质学参照物。
 
杨洪认为,在影响远古气候的各种因素中,大气环境是一个关键要素,同时其机制和模型也是最难重建的。如果能够把极区气团在远古时代地球动力学中所扮演的重要角色了解清楚,那么科学家在评估当今全球气候系统和预测未来气候变化时都会更加精确。因此,他们的研究也就从这个角度切入,试图重建北极地区在古近纪时期的水气环境。
 
尽管古近纪升温期如此重要,但由于此前从地球高纬度地区特别是极区获得的带有古近纪气候信息的海洋沉积记录不多,又因当时没有极地冰盖因而不可能存在冰芯记录,这两种最常见的用以推测古气候信息的资料的缺乏导致了科学家对极区古近纪气候的认识受到了限制。
 
转机出现在加拿大。从位于北纬80度附近的阿克塞尔海伯格岛和埃尔斯米尔岛发现的大量超常保存的植物化石,为科学家提供了可在分子水平上开展精细分析的适宜材料。这些数量丰富且保存超常的落叶松柏类植物化石主要从属于水杉、落羽杉和落叶松三个落叶种,从这些化石中提取出的古分子甚至含有不稳定的生物大分子,而这种情况通常只发生在形成于几千年前的化石材料中。这对因研究材料缺失而一筹莫展的科学家来讲,无疑是久旱逢甘霖。
 
与此同时,化石分析手段和相关理论也有了突破性的进展。杨洪介绍说,首先是可用于精确数量分析的有机分子氢同位素测试法有了突破。其次,近来的研究已经探明了评估植物类脂分子氢同位素分馏的因素。所谓同位素分馏,是指植物生理过程导致的从环境中吸收和固定下来的同位素组成的改变,例如植物通过光合作用把二氧化碳与水合成为碳水化合物与氧气,这个复杂的过程最终导致植物有机分子上的氢元素与环境水中的氢元素具有不同的同位素组成,即重氢(氘)和普通氢的比值产生变化。
 
中国科学院南京地质古生物研究所研究员冷琴与杨洪有着紧密的研究合作。她这样描述他们的研究思路:首先根据现生水杉叶的氢同位素分馏情况,建立一个与现代水气环境紧密联系的模型,然后获取水杉叶化石的氢同位素分馏数据,最后将数据代入已建立的古代极区生态系统模型,去定量化恢复古代水气环境。
 
此前,“从未有人定量恢复北极地区古近纪的水气环境。”杨洪说。
 
模型的“进化”
 
北极地区拥有独一无二的光照条件:夏季有长达4个月的低角度、低照度的持续光照环境,而冬季则有4个月的极夜时间。
 
杨洪介绍说,这种独特的光照条件可以通过植物的光合作用,最终影响到植物叶中氢和氘的比例,即氢同位素分馏。实际上,先前已有研究应用了氢同位素分馏的均值,但由于忽略了植物种类和化石材料产出地的纬度差异,“这样的实验显然会导致很大误差”。
 
杨洪与美国缅因大学的同行合作,进行了一个为期两年的实验。他们把相同基因的水杉、落羽杉和落叶松树苗分成两组:一组每日提供正常光照,另一组则模拟北极的夏季提供4个月持续光照(晚间进行人工光照),用已知氢同位素含量的水来浇灌两组树苗。两年后,当测量叶脂质中的碳和氢同位素含量时,他们发现不同光照条件下产生了明显的碳和氢同位素分馏差异,并计算出在三种不同植物叶脂质和浇灌水之间的氢分馏数据及其关联性。
 
随后,杨洪与合作者应用从位于北极圈内的加拿大岛屿上获得的叶化石,尤其水杉叶化石材料,通过分析其中的氢同位素分馏数据并结合前述的实验结论,重建了古近纪时期北极高纬度地区降水的氢同位素特征。
 
让他们惊讶的是,结果表明,在古新世晚期到始新世中期(古近纪的升温主要在此期间),北极夏季降水中氘的含量与现在该地区夏季降水中氘的含量相近或仅稍低一些。由于现代北极地区的水主要来自于从低纬度地区向高纬度地区运移的大气汽团,其主要驱动力是不同纬度之间的温度梯度。该地区降水中的低同位素值是由于在大气汽团长途运移过程中,较重的氘会随着降水逐渐损耗掉。然而,与现代不同的是,古近纪全球温度比现代高,温度梯度却比现代低得多。在北极地区,现在干旱的冰原大陆在当时却极端湿润并在夏季覆盖着广袤的落叶植物。因此,同一地区古代和现代相近或仅稍低的同位素值就不能都用现代大气汽团运移的模型来解释了。首先,大气汽团的长距离运移一定会损失大量的水,难以解释北极极其湿润的现象。更难解释的是汽团长途运移的动力,因为当时的温度梯度要低得多。
 
“我们相信这样的氢同位素印记一定反映了在古近纪早期的温暖和全球高二氧化碳浓度时期,北极地区独一无二的大气环境。”杨洪认为。他们想到了植物蒸腾作用的影响。冷琴说:“要知道,北极在古近纪时期,曾经有广袤的水杉纯林分布,它们的蒸腾作用是不容忽视的。”冷琴介绍说,植物的蒸腾作用有把较重的氘留在植物体内的倾向,因而也会导致蒸腾到大气中的水的同位素值偏负。这与前述汽团的长距离运移具有异曲同工之妙。
 
于是,新模型的构建充分考虑了上述的两个因素。他们提出,在古近纪高温期,夏季的北极地区大气中水汽的来源不仅有来自低纬度地区的汽团运移,还有当地茂密的森林所产生的大量蒸腾作用。这样的模型,既很好地解释了同位素值,又合理地说明了古近纪北极地区的极度湿润。
 
根据上述研究结果,杨洪等提出:“气候与当地植被之间的关联很可能在古近纪的北极生态系统中扮演了非常重要的角色,其重要性可能远远超过了此前的认识。”
 
为什么是水杉
 
在杨洪和冷琴两人的科研生涯中,水杉一直是个重要的研究对象。杨洪评价说:“水杉化石是最佳的气候指针之一。”
 
实际上,水杉的发现过程本身就颇具传奇色彩。
 
1941年,日本京都大学的三木茂根据发现于日本南部的一些植物化石标本建立了一个新属Metasequoia。当时植物学家们相信,Metasequoia和大多数的化石植物一样业已灭绝。1943年,国民政府农林部中央林业实验所技正王战在原四川省万县谋道镇(今划归湖北省利川市)采集到第一份现生水杉标本;自1945年开始,这一现生物种引起了郑万钧等学者的重视,并开展了调查研究。1948年5月,中国植物学先驱胡先骕与郑万钧联名发表了著名的《水杉新科及生存之水杉新种》一文,推翻了“水杉早已灭绝”的定论,一时轰动世界植物学界。
 
活水杉的发现,在美国掀起了一股水杉狂热,“这一发现的意义不亚于在地球的某一角落发现了活着的恐龙。”冷琴说。自水杉发现伊始,胡先骕及其同事和学生就将其推广到全球各地引种。这也激发了更多的科学家投入到水杉的相关研究中,水杉研究也获得了较多的科研经费的支持,使得科学家对水杉的了解远比其他树种全面。杨洪也认为,“水杉是人类历史上保护得最好的植物物种之一”。
 
水杉有漫长的繁衍历史,目前最古老的水杉化石发现于俄罗斯东北部大约1亿年前的白垩纪晚期岩层中。而且,远古水杉曾极其广布,这从化石记录中可见一斑:全球有500多个水杉化石的记录点。发现水杉化石的最高纬度是格陵兰岛东北,位于北纬82度;而最南的分布则发现于中国台湾的中新世岩层中,位于北纬25度。
 
水杉作为气候指针的另一个优势就是它在生物学性状上比较稳定。纵观化石记录档案可以发现,水杉从白垩纪以来在外观形态上似乎存在明显的演化停滞现象。“水杉的外观形态在1亿年中几乎没有多少改变。”冷琴说,“这是一件非常有趣的事情。”这对科学家来讲,最直观的便利就是在以水杉及其化石为研究对象时,不必考虑水杉在不同历史时期的差异这一变量。
 
冷琴认为,“漫长且连续的化石记录、现生的对照种以及缓慢的演化速率,这些特质让水杉成为最适宜的古气候指针之一。”
 
这项研究得到了国家自然科学基金的资助。展望今后的研究工作,冷琴希望通过对极区古代水文情况的研究,类似的定量恢复古代水文情况的方法可以运用到更广大的地理范围。“现在,满足严格的同位素分析条件的植物化石材料已经在北极以外的地区获得了。”杨洪微笑着补充说。
 
 
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