作者:袁一雪 来源:中国科学报 发布时间:2018/1/5 8:47:01
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企鹅便便藏“密码”


 

■本报记者 袁一雪

近日,国家海洋局—中国科学技术大学极地生态地质联合实验室暨极地环境与全球变化安徽省重点实验室孙立广、谢周清小组,在东南极发现了企鹅在距今14600年存在的证据,并重建了当地企鹅登陆以来连续的种群数量变化。其研究成果近期已发表在《古地理古气候古生态》上。

此前,美国科学家证实企鹅出现在东南极大陆的最早时间为距今9000年。此次的发现则将这一时间又向前推进了约6000年。

这一发现得益于中国科技大学地球空间科学学院教授孙立广20年前在研究企鹅古生态上的另辟蹊径,他没有按照绝大部分科学家采用的方法,即通过寻找企鹅巢穴中最古老残骨的年代判断企鹅登陆时间,而是选择“企鹅粪”作为研究突破口,揭开研究环南极生态与气候的变迁之路。

通过企鹅粪探秘南极大陆

企鹅是南极大陆最典型的动物,在孙立广眼中,企鹅不仅拥有可爱的外形,它的历史更是值得深入研究的对象。“企鹅是跨越陆地和海洋的生物,对气候变化非常敏感,过去20年来我们一直在通过企鹅、海豹和磷虾来了解南极生态历史及其与气候变化的相互关系。”孙立广告诉《中国科学报》记者。

在目前关于南极企鹅的研究中,科学家发现距今约1.1万年前的末次冰期结束前后,南极各地无冰区相继出露,为阿德利企鹅的繁衍提供了有利条件。由于缺乏实际的证据,冰退时间与企鹅出现的时间无法衔接,所以科学家一直对于冰消期之后企鹅登陆过程的认识存在空白。

此次,在国家海洋局极地办公室的支持下,孙立广、谢周清合作指导的博士生高月嵩到西福尔丘陵长半岛地区考察,并采集到湖泊沉积物,他们利用沉积柱中的生物标型元素等指标,识别了距今15600年以来的冰消期沉积层和企鹅粪土沉积层。

“判断是否是企鹅粪土层的标志是企鹅粪的标型元素,这些元素包括锶、氟、硫、磷、硒、钡、钙、铜、锌。”孙立广解释说。这9种元素在企鹅粪便中具有高度相关性,其中最重要的标准元素包括3种:锶、氟和磷。“锶和氟是磷虾中微量元素,企鹅又以磷虾为食,加上粪便中磷的含量往往较高,所以可以通过这些标型元素判断是否为企鹅粪。”孙立广表示。

根据这一标准,孙立广等人在从南极采集到的标本中发现了在距今15600年到14600年的地层中出现了含有冰川角砾的砾石沉积,在砾石沉积的上面出现了含企鹅粪的沉积层。“除了元素判断,合作者海洋三所的汪建君还用分子生物学的方法进一步识别企鹅粪,这样将南极末次冰消期后,企鹅出现在南极大陆的时间定格在距今14600年。”孙立广说。同时,他们也注意到,企鹅在冰退后1000年才先后陆续迁入这个地区的,此后呈现大致持续增长的趋势,这表明冰期—间冰期转换过程中冰退是企鹅数量增加和栖息地扩张的一个主要驱动因素。

孙立广等人还利用企鹅粪作为载体的考古方法,曾经对北极海鸟进行过研究。他们发现北极黄河站区域冰退出现在距今9400年前,也几乎在同一个时期,就找到了海鸟出现在这里的证据。“我们开玩笑说,企鹅的翅膀不管用,这或许是企鹅在冰退后迟到1000年才登陆的原因。”孙立广笑着说。

孙立广、谢周清研究小组的这一发现,对于两极地区海鸟繁殖地的历史演变与对比或具有普遍意义,并且为在环南极无冰区进行企鹅登陆时间的恢复,锁定了末次冰消期第一批企鹅避难所的位置,同时,也为进一步认识企鹅向南极大陆周边迁徙、扩张的过程和规律奠定了基础。

环南极生态变化研究更有意义

“这次研究主要集中在东南极的澳大利亚戴维斯站,以南极横断山脉为界,其东部,西经30度到东经170度之间为东南极,以西则属于西南极。”孙立广解释道。

过去70年来生态学家们的研究表明,在东南极与西南极,企鹅的数量变化并不一致。西南极的阿德利企鹅数量正在减少,但东南极的阿德利企鹅数量却增加了。对此,孙立广认为“这可能是因为西南极的温度在上升,但是东南极并没有出现明显的温度上升趋势。这就是所谓的‘跷跷板效应’”。

从过去几十年的情形来看,西南极升温虽然导致阿德利企鹅数量减少,但是那里的金图企鹅的数量却增加了。孙立广认为,这说明阿德利企鹅可能更喜欢相对偏低的气温,而金图企鹅喜欢天气稍微暖和一点。在孙立广对企鹅粪土的研究中也发现了,温度过高或过低都不利于企鹅数量的增长。而且,虽然从年际尺度来看似乎存在“跷跷板效应”,但从环南极发展的历史看,企鹅的适宜期发生的时间是接近的,并不存在“跷跷板效应”。

不仅如此,企鹅数量也影响着南极苔藓与地衣等植被的数量。“没有企鹅粪的地区,苔藓植物生长缺乏营养,因为它们必须要有潮湿的环境和磷作为肥料。但是如果企鹅过多,会践踏苔藓,也会导致苔藓和地衣数量减少。所以,如果植被覆盖了企鹅粪土,就说明当时植被扩大;反之,则说明企鹅数量增多。”孙立广解释说。

带着问题前行

“如果你能提出问题,那么这个问题就解决一半了。”孙立广如是说。

通过企鹅粪土层寻找南极生态和气候变化证据的方法是孙立广的独创。为了验证这一想法,1998年,他参加了我国南极第15次科学考察。

从南极回来后,孙立广等人将采回的67.5厘米的泥芯按1厘米间隔在洁净室中分样,并对每个样品进行27种元素的定量分析,又进行精确的碳十四定年,确定这是一段大约“3000岁”的含有企鹅粪土层的泥芯,再根据锶、氟、磷等9种标型元素的浓度,确定含粪量的相对变化,进而推定企鹅种群数量的相对变化,以及与气候变化的关系。

这项研究的论文在2000年10月的《自然》杂志上发表,当时,审稿人评价道:这是一种研究南极湖泊集水区历史时期企鹅数量的新奇的生物地球化学方法,在不久的将来,它很可能形成某种活跃的研究领域。

不仅企鹅粪土层研究来自于灵感,2012年一项关于海冰消融将导致大气中甲烷浓度增大,从而增强温室效应的研究,也出自孙立广的“灵光一闪”。“我从电视上看到黑龙江冬季凿湖捕鱼的新闻片,渔民在用打火机点烟时,点燃了从冰下冒出的气体。由此想到,北极海冰下是否藏有可燃气体呢?然后与谢周清共同设计了一个从冰下收集气体的方法。”孙立广回忆道。研究的结果证明,这个想法并非空穴来风,北冰洋中心海域的冰下海水中确实储存大量甲烷气体,而海冰的存在阻碍了海水甲烷的排放。但是,气候变暖将加速北冰洋海冰的消融,而北冰洋海冰的消融将会导致大气中甲烷浓度增大,这又将进一步加速海冰消融,形成一个恶性循环。

两极的气候变化与生态变化关乎整个地球的发展。而极地是海洋强国和“一带一路”建设的重要部分。去年12月28日,国家海洋局成立了中国极地科学技术委员会,不久前科技部也召开了“三极环境与气候变化”的香山会议,这表明了我国将大力推进南极、北极与青藏高原的研究工作。孙立广说,“认识南极、保护南极、利用南极,这是我们中国极地科考人的任务和目标。”

《中国科学报》 (2018-01-05 第4版 自然)
 
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