大自然的奇妙档案- 大数跨境

科学出版社

2017-12-21

人类个体的寿命是有限的，所以需要将祖辈的故事记录成历史档案代代相传，这些故事不应该仅仅包括政治、经济、军事、科技和文化，还应该包括自然环境状况。但是，人类对于过去的事情所知非常有限，尤其是有文字记录以前的自然环境更是知之甚少。为了探索有文字记载以前的自然环境，科学家利用了各种天然档案，如冰川、黄土、湖泊或海洋沉积层、树木年轮、珊瑚、动植物化石等，以揭开过去环境变化的神秘面纱。

在这些科学家们发展起来的大自然丰富而详实的历史档案面前，一部生动的自然史书顿时细致地重现在人们的眼前。从跨度恢弘的千万年，到细微的每周每月，都有专门的分册对自然现象的点滴变化做忠实的记载。

千年的档案——千年虫

海洋中栖息着一种原生动物，它能分泌钙质的壳体，壳体上有细小的洞以供细胞质进出，因而被称为有孔虫。有孔虫形体很小，只有几毫米见方的沙尘大小，呈白色，若不仔细看，会误以为是一粒散沙。然而在光学显微镜下或经电子显微镜放大之后，你会看到那么微小的有孔虫居然有争奇斗巧的壳饰及各式各样的口孔。有孔虫壳体的成分大多是碳酸钙，有的晶莹剔透，有的闪烁着陶瓷光泽，还有的像是精美的象牙雕。但也有一些有孔虫，通过分泌黏液，将捡拾到的一些石英砂砾胶结一起，披在身上权充壳体，如同叫化子般褴褛肮脏。

这些形形色色的有孔虫都是单细胞生物，简单地说，是能够分泌壳体的变形虫。它们死后，柔软的肉体内核腐化殆尽，而外面硬质的壳体仍能保存在地层中。自从这个物种出现以来，它们在地球上已经有5亿多年的历史了，也就是说，有孔虫已经兢兢业业地为地球海洋环境的变化记录了5亿多年的历史档案。这种有孔虫是怎样记录下海洋的自然档案的呢？

不同种类的有孔虫会喜欢不同温度的海洋水体。现存浮游有孔虫约有40多种，有的嗜寒、有的喜暖，随着纬度分布各异，可以分成“极区”、“亚极带”、“过渡带”、“亚热带”和“热带”五个生物地理区，各区还可以更进一步细分。当这些生活在当地的有孔虫死亡后，就会遗留在地层中变成化石。考古学家们一看到不同的有孔虫种类，就能根据它们判别当地当时海洋的温度情况。

近几年来，学者发现有孔虫壳体中的镁／钙元素的比例与其栖息的海水温度有很好的对应关系。经过简单换算后，这种镁／钙比值简直就是温度计上的刻度。有孔虫就这样成为了古气候、古海洋环境的代言“虫”了。

此外有孔虫种类繁多，兴衰更迭，不同的地质年代各有其特殊的种属，所谓“各领风骚数百万年”。有孔虫一方面能标示地质年代，另一方面可指示古代环境，记录气候变化，所以是非常有用的化石，也难怪全球研究化石的古生物学者，大多喜欢研究它们。

根据有孔虫的这些特性，有一个研究小组对我国南海的古温度变化进行了研究。他们发现，南海在过去16万年里经历了几个冰期——间冰期循环，海水表面年平均温度在摄氏28.5度到摄氏23.5度之间；上次冰期的鼎盛期，大约发生在1.8万年前，而且12.8万年前和1.6万年前这两次南海冰期的结束都非常突然，温度在一至二千年间快速上升。有孔虫的这些记录可以精确到千年时间，所以，人们又把它叫做千年虫温度计。

世纪档案——孢粉化石

孢粉是对蕨类植物的孢子与种子植物的花粉的统称。孢粉的大小约几十微米到百余微米，是植物们用来繁衍后代的生殖细胞。孢粉的产量极大，但是只有少数孢粉能完成受粉的使命，其它绝大部分则随气流飘散到空中，久而久之落在地面或水面上。落在地上的，与空气中的氧接触而被分解；落在水中的，年久月深逐渐沉入水底，成为水底沉积物的一部分。

因此，我们分析河流沉积物中筛洗出的孢粉，就会了解到很久以前湖泊或河流周围地区植被的情况，然后就能判断当时周围是温带林、亚热带林还是草原，这些植被都由什么种类的植物组成。不同沉积层的孢粉种类数量不同，标示着不同时期的植被组成情况，这就成为人们认识过去陆地上植被变迁的有力工具。

孢粉分析起源于19世纪末。当时，北欧的科学家在地表以下的泥炭里无意中发现孢粉，于是往更底下的沉积物中去洗出所含花粉。当他们看到一万年以前的沉积物含有的孢粉所代表的植属，比起当地现代的种属明显地分布于更寒冷的地方时，从而了解当地曾经有过很寒冷的气候。这使他们大受震动，因为人类没有任何人文资料记录着当地自然气候发生了巨大变化的故事。

植被的变化在十年、百年尺度上来说，可能是因为物种的竞争、病虫害、土壤环境及人为干扰等因素所造成，但从长期尺度，约数百年以上来看，仍然是以气候变化的影响为主。所以，孢粉组合反映的气候变迁最少达到百年的精度。陆地上的湖泊或河谷流域的细粒沉积物从底部到上部数十米厚度的沉积层中，往往累积了过去几万到几十万年岁月中一层层的沉积，其中各个细分层土壤中的孢粉化石都隐含着过去每个世纪的植被变化的纪录。而植被变化又是气候变迁的反映，因此，古代地层中的孢粉化石也能够向人们吐露出过去百万年甚至亿万年前的自然气候情况。

科学家尝试用各种方法根据孢粉组合推断植被组合，并推论特定组合所代表的气候状况。譬如如果孢粉组合中含有许多水生植物菱角的孢粉，就可知道当地曾经是浅水湖沼环境。一些喜热喜雨的植物孢粉如果在一个孢粉组合中含量占20～30％，就表明必须有特定的温度、特定的降雨量，才能让这种植物繁盛到能生产出那么多花粉。所以，从不同的特定植物孢粉含量，人们就可以推断出某一个世纪，那里曾经有多热多冷，是经常大雨滂沱、淫雨霏霏还是干旱难耐。

科学家们根据古地质沉积层中的孢粉组合，研究了华南地区一万年前地球冰期晚期的冷暖情况。化石孢粉组合显示，一万年前华南的植被与今天的差别很大。今天到处林木苍翠的海南，在冰期的晚期有一段时间却是接近非洲稀树草原的模样，年降雨量可能只有现在的一半而已。因为那里一万年前的孢粉组合中草本植属占了一半以上，表示不是茂密的森林，而是草原，与今日大异其趣。如果不是从这些过去的化石孢粉组合中研究，实在难以想象，这苍翠之岛在一万年前竟然是荒草萋萋。

气候的编年史——树木年轮

树木是植物界的巨人，它们除了花粉可以成为气候记录的字节外，它们的树木年轮仍然存在许许多多的秘密，记载着过去没有人文记载时期的神秘故事。

树木生长的主要特征之一是树木年轮的形成与变异。在树木横截面上，由树皮到树心之间，一圈圈深浅分明的轮纹就叫做树木年轮。一年四季中，气候寒暖不同，会影响到轮纹的深浅不同。每年春季，树木形成层活动旺盛，产生一些体积大、细胞壁较薄的细胞，就是我们看到浅色轮纹部分；到了夏末或秋季的生长后期，形成层产生出体积小、壁较厚的细胞，即深色轮纹。每一道浅色和深色轮纹合起来才是树木在一年中生长的真正年轮。

树木年轮形状并不一致，相互之间总有宽窄差异，这主要是由于周围环境或气候改变产生的影响所致。大致说来，在风调雨顺、气候暖和的年代，所形成的树木年轮宽度会比较宽些；在寒冷、干旱的时期，树木年轮宽度就会比较窄。树木死亡后，这些年轮状况会忠实地以化石的形态保存下来。

如果我们先用同位素定年法确定树木死亡的最后年代，然后结合树木年轮就可以确定它具体的生活年份。根据每一年的树木年轮形态，又可以了解当年的气候状况。例如台湾地区利用树木年轮资料已可以推知过去500年来山区的气候变化形态。美国亚历桑那大学的科学家哈兰以各种来源的刺果松为标本，建立出约跨越一万两千年范围的树木年轮序列。这个特殊的“编年史书”为北美洲自上次冰河期结束以来气候变迁提供了再详尽不过的逐年说明，并由此揭示了北美洲初次有人定居时的自然风貌。

在一道道的树木年轮中，有时存在一些“变异轮”。例如，如果在树木径向生长的前期，突然发生严寒或干旱事件，可能在当年的年轮中会看到有两道或多道轮纹产生，就是所谓的“伪轮”；或是在整年气温很低与大火山爆发后，会形成“霜轮”；甚至可能因持续多年的严寒或干旱，树木为了维持其基本生命活动，从而停止径向细胞分裂，形成“缺轮”现象。所以，翻开这部监测记录，可以很清楚地发现过去数百年至数千年来各种环境因子的变化，包括气候、水文、环境污染、地震、火山等问题。一个非常有名的例子，是有关北美西南部印第安人的迁徙历史。在科罗拉多高原上的美撒沃德地区，有着不同时期的印第安人遗址。研究人员从废墟梁柱上取得树木年轮标本，经分析后得知各文化期的年代，也推知当时气候的冷暖干湿状况，以及气候对当时印第安人谜样的踪迹影响甚巨。

树木年轮除了可用来重建气温、降水、地下水位等连续性变化之外，还能追踪研究一些历史上的偶发性地质事件。举例如下：

侦测地球块体运动──生长在不稳定边坡上的树，常会形成偏心轮，从这种生长速率的改变情形，可以得知某一湖边或边坡，历来发生山崩的规模和频率。在欧洲阿尔卑斯山和北极圈附近的树木年轮，已被用来推断冰川前进和后退的活动。

记录火山活动情况——大量火山灰进入空气中，阻绝太阳辐射热，会使得气温下降，在高寒地区的树往往会因此形成“霜轮”，成为明显的火山活动标记。在美洲圣海伦斯火山附近的树木样本中，有树木年轮宽度骤然变窄的现象，可以追踪1800多年以来该地区的火山活动事件。

进行火灾纪录──森林大火过后会在一些树木中留下“火烧疤”，使得原本正常的近似同心圆的树木年轮成为不完整的轮纹，有如一片片花瓣，这就是遭受过火灾的史记。

除了上述的事件之外，像地震、地表水径流量、地下水面变化、地体构造运动和海、河水面变化等事件，都可能在不同种类的树木身上留下纪录，供我们探讨自然的律动。

树木年轮资料还曾用来判定古教堂年代，鉴定艺术品的真伪和年代，甚至协助过案件调查。1935年，瑞士警方就曾由一绑架案现场所留下的自制木梯，利用树木年轮分析木梯轮纹的变化形态和组织构造，发现与嫌犯家中的地板相同，因而确定歹徒的罪名。

现今树木年轮学的另一个重要主题是探讨环境污染的问题。空气、土壤、地下水污染都可能会影响树木生长，而反映在树木年轮上可能会形成宽窄、材质密度突然发生变异。因此在距离污染源不同距离、不同方位的地方采取样本，测定树木年轮中诸如铜、铅、硫、铝等元素含量变化，将可以了解污染的程度范围和起始年代。

海洋月历——珊瑚虫

在众多古环境变迁研究中，珊瑚也是很好的探讨材料之一，主要原因有三：一、珊瑚在海水中生长时，会将周遭环境的变化详尽地记录在碳酸钙骨骼中；二、珊瑚主要生长范围在温度约18～30摄氏度，深度仅十几米的浅海中，遍布在南北纬30度内的温、热带海洋；三、珊瑚生长快速，每年可达数厘米，且生命期往往超过一世纪。这些生长条件，使得珊瑚记录着海洋及附近陆地气候变迁的讯息，可以提供连续数百年间的气候纪录与时间并可以精确分辨到月甚至星期。珊瑚的这种特性在时间及空间上弥补了监测仪器的不足，提供了一种高分辨率的气候与环境资料。

珊瑚群体在适合的温度、盐度、营养及潮浪条件下，可以通过无性生殖不断繁衍，发育成长三四百年后，往往大小接近一层楼高，犹如希腊神话中的巨石。科学家为了取得这种长期连续材料，常须潜入海中钻取珊瑚岩芯，利用岩石锯机切片，经过适当的清洗再用微切割技术，以厚度仅0.13毫米的超薄锯片进行小标本取样，每个小标本厚度可小于一毫米，相当于二至四星期的珊瑚生长时间。如果以珊瑚每年平均成长一厘米计算，一米的珊瑚岩芯标本可提供百年的古气候资料。一座高约12米的微孔珊瑚群体，很可能已经记录了一千年以上周围海域的沧桑历史。让我们看看，这部由珊瑚记录的沧桑历史究竟有些怎样精彩的内容呢？

首先，它记载了过去海洋水温的变化。海洋水温与珊瑚骨骼中的一些微量元素及同位素含量密切相关。当海水温度每升高摄氏1度，就会造成珊瑚成长骨骼中的锶元素减少0.8％、镁元素增加3％、铀元素减少5％。换句话说，珊瑚就是一支天然的温度计，只要分析骨骼中的一些相关元素含量，就可以推知过去海水温度。这有点像前面谈到的有孔虫。

自上世纪七十年代以来，人们普遍认为热带海面水温在冰期与间冰期之间并无明显变化，最多不超过摄氏2度。但1994年美国哥伦比亚大学的基德生等人分析了两万年来大西洋西部的加勒比海巴贝多岛附近各时期微孔珊瑚化石中的锶元素含量，发现上一次冰河时期，热带海洋表面水温可能比现代低约摄氏4～6度。

珊瑚还记载了几万年来海平面高度变化的情况。历史上著名的例子是，美国哥伦比亚大学费尔班克教授等人于1988年在加勒比海，西印度洋群岛东端的巴贝多岛钻取珊瑚化石，寻找一种大西洋特有的轴孔珊瑚化石在地层中出现的相对位置，重建出古海平面高度变化。因为这种轴孔珊瑚只生长在距离海面不超过五米的海洋中，故它出现的地方，便代表着当时海平面的位置。研究发现，自两万年前以来，有相当于大约1/40海水量的冰，因气候回暖而融化流入了海洋，使海平面上升了整整120米。

最后，珊瑚还能告诉我们海洋环境的情况。过去的观念总以为大洋是一个巨大的调节机，可以将人类文明的污染产物加以稀释及“消化”，不会造成环境问题。不幸的是，珊瑚的月历告诉我们，海洋水质在日益恶化，尤其以人口密集的沿海地区更为明显。通过检测珊瑚骨骼中的金属元素和放射性元素含量，发现全球性的溪流、港湾及海洋的重金属污染已经随着经济的发展日益严重起来。特别是1945年在日本爆炸的原子弹，也被当地的珊瑚忠实地记录了下来，在珊瑚的巨塔中，清楚地标示着某年某月，放射元素铀突然增加。这些因人类活动对大自然所造成的污染及伤害，被海水中成长的珊瑚一五一十地记录了下来。