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不要誤會(huì)，這不是一支考古小分隊(duì)，這些人正在黃土高原上尋找一種常見(jiàn)生物——蝸牛。

他們想從蝸牛身上找到什么？

新研究告訴我們，蝸牛殼里居然藏著極端天氣的證據(jù)：

大院er找到了一個(gè)“采”蝸牛的人，請(qǐng)他回答了一些關(guān)于“蝸牛與天氣”的疑問(wèn)。

天氣信息，不止記錄在氣象站里

問(wèn)題1 為什么要去采蝸牛呢？

蝸牛是一種氣候載體。蝸牛殼體的地球化學(xué)組成的變化可以反映氣候環(huán)境的信息。因此，通過(guò)分析和研究地層中埋藏的化石蝸牛，就可以獲得過(guò)去氣候變化的信息。

問(wèn)題2 既然是“過(guò)去的氣候變化”，為什么今天還要研究？

現(xiàn)代氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于氣象臺(tái)站、衛(wèi)星觀測(cè)等手段，這些數(shù)據(jù)為我們理解氣候系統(tǒng)提供了重要基礎(chǔ)。然而，人類(lèi)系統(tǒng)性地、高質(zhì)量地記錄氣象變化的歷史最多不過(guò)一百多年。僅憑這一百多年的氣象觀測(cè)資料，我們很難完全理解地球氣候和天氣的運(yùn)作模式，更難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)的氣候變化。

舉個(gè)例子，過(guò)去一百多年間，全球平均氣溫上升了約1.2℃。但這1.2℃的升溫情景，實(shí)際上是我們所掌握的氣候變化的全部觀測(cè)數(shù)據(jù)。基于這一有限的觀測(cè)數(shù)據(jù)，若要預(yù)測(cè)未來(lái)3-5℃的升溫情景下的氣候和天氣，顯然會(huì)帶來(lái)較大的不確定性。

古氣候資料能夠大大延長(zhǎng)我們對(duì)氣候變化的觀測(cè)歷史。自19世紀(jì)以來(lái)，地質(zhì)學(xué)家們便開(kāi)始從地質(zhì)和生物載體中提取氣候變化的相關(guān)信息，并發(fā)展出了多種可以用來(lái)重建過(guò)去氣候變化的古氣候載體，例如，通過(guò)分析黃土沉積的磁化率和粒度，我們可以重建過(guò)去東亞地區(qū)夏季風(fēng)和冬季風(fēng)的強(qiáng)度變化；利用深海沉積物中有孔蟲(chóng)的殼體元素比值，我們能反映海洋表面溫度的變化等。

依托這些古氣候載體和氣候模型的結(jié)合，科學(xué)家們成功地重建了過(guò)去數(shù)億年的氣候變化框架，極大地豐富了人們對(duì)地球氣候歷史的理解。最近的一項(xiàng)研究便成功地重建了過(guò)去4.85億年來(lái)的全球平均表面溫度變化。

過(guò)去4.85億年間的全球平均表面溫度變化如圖所示。灰色陰影對(duì)應(yīng)不同的置信水平，黑線顯示均值。頂部的彩色帶反映了氣候狀態(tài)，較冷的顏色表示“冰室”氣候，較暖的顏色表示“溫室”氣候，灰色表示過(guò)渡狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)地球目前的平均表面溫度大約為15℃，這要比顯生宙的大部分時(shí)間都要低（5億多年以來(lái)）。我們的星球也曾經(jīng)有過(guò)比現(xiàn)在平均高20℃的時(shí)期，但是那時(shí)地球上還沒(méi)有人（或者沒(méi)有這么多人），這也是我們現(xiàn)在要關(guān)注全球變暖的重要原因。

（圖片來(lái)源：Judd et al., 2024）

為什么選擇了蝸牛？

問(wèn)題3 研究新聞中提到“蝸牛能夠反映極端降水的趨勢(shì)”，為什么我們要關(guān)注“趨勢(shì)”，有天氣預(yù)報(bào)還不行嗎？

天氣預(yù)報(bào)主要聚焦于短期的氣象變化，通常涵蓋幾天到幾周的時(shí)間范圍，幫助人們做出日常生活的決策。然而，古氣候和古天氣研究則更加關(guān)注長(zhǎng)期的氣候和天氣變化趨勢(shì)，時(shí)間尺度往往是幾十年、幾百年甚至幾千年。通過(guò)掌握長(zhǎng)期的極端天氣變化趨勢(shì)，我們可以揭示這些極端事件與氣候系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，以及它們?nèi)绾卧诓煌臍夂虮尘跋掳l(fā)生變化。

舉個(gè)例子，長(zhǎng)期極端降水趨勢(shì)的研究結(jié)果能展示在不同氣候條件下，降水的頻率和強(qiáng)度會(huì)如何波動(dòng)。通過(guò)分析過(guò)去的氣候變化模式，尤其是與當(dāng)前氣候變暖相似的歷史時(shí)期，人們能夠預(yù)測(cè)未來(lái)極端降水事件的發(fā)生趨勢(shì)和變化。這為預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)未來(lái)可能發(fā)生的極端天氣事件提供了寶貴的參考。

此外，長(zhǎng)期趨勢(shì)的研究對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和災(zāi)害防范也至關(guān)重要。例如，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)地區(qū)在氣候變暖的背景下出現(xiàn)了降水模式的顯著變化，那么這一信息將有助于指導(dǎo)該地區(qū)的水利設(shè)施設(shè)計(jì)、洪水防控措施以及應(yīng)急預(yù)案的制定。

問(wèn)題4 這個(gè)研究里為什么選擇了蝸牛？上文提到的那些古氣候載體不行么？

盡管已經(jīng)能夠描繪出過(guò)去數(shù)億年氣候變化的大致框架，發(fā)現(xiàn)過(guò)往的大暖期和快速增溫的時(shí)期，但人們對(duì)溫暖背景下極端天氣特征的了解依然非常有限。換句話說(shuō)，對(duì)全球變暖之后天氣系統(tǒng)可能發(fā)生的變化，諸如臺(tái)風(fēng)、暴雨、熱浪等極端天氣事件的發(fā)生頻率與強(qiáng)度變化，人類(lèi)幾乎沒(méi)有可靠的認(rèn)識(shí)。

原因在于，目前古氣候資料的時(shí)間分辨率較低，大多只能達(dá)到百年到千年的層級(jí)。即便是分辨率較高的載體，如樹(shù)輪和珊瑚，它們的時(shí)間分辨率也僅能達(dá)到年到月級(jí)別。也就是說(shuō)，這些資料提供的通常是幾百年到幾個(gè)月的氣候平均信息，無(wú)法揭示極端天氣事件發(fā)生的短期變化，尤其是以天、甚至小時(shí)為單位的天氣波動(dòng)。

常見(jiàn)古氣候載體的時(shí)間分辨率。當(dāng)前大多數(shù)古氣候載體的時(shí)間分辨率較低，無(wú)法用于重建過(guò)去天氣變化。

（圖片來(lái)源：修改自Yan et al., 2020）

所以，我們需要尋找更靈敏的古氣候載體。

在之前的研究里，我們的研究團(tuán)隊(duì)（中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所晏宏研究員團(tuán)隊(duì)）發(fā)現(xiàn)，海洋硨磲的碳酸鹽殼體具有天生長(zhǎng)紋層，這些紋層能夠提供天到小時(shí)級(jí)別的地球化學(xué)記錄。這一突破使得研究過(guò)去的臺(tái)風(fēng)、寒潮等極端天氣事件有了可能，開(kāi)辟了古天氣研究新方向。然而人類(lèi)的生活主要集中在陸地，那么是否存在類(lèi)似的地質(zhì)生物載體，能夠記錄陸地上的極端天氣變化呢？從硨磲我們自然聯(lián)想到了同樣帶殼的蝸牛（它們都屬于軟體動(dòng)物），它可能是一個(gè)潛在的陸地古天氣載體。

蝸牛，作為軟體動(dòng)物門(mén)腹足綱的一員，廣泛分布于全球各類(lèi)生態(tài)環(huán)境中，已有三億多年的歷史。它們對(duì)氣候變化高度敏感，且蝸牛殼體的生長(zhǎng)速率較快。

條華蝸牛野外照片（左）和蝸牛殼的生長(zhǎng)模式（右）

（修改自Füllenbach et al., 2014）

比如常見(jiàn)的條華蝸牛，其日生長(zhǎng)速率可達(dá)200-300微米。結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的原位分析技術(shù)（空間分辨率可達(dá)到100微米），理論上研究者可以從蝸牛殼體中獲得天分辨率級(jí)別的地球化學(xué)記錄。此外，蝸牛殼體在第四紀(jì)（約260萬(wàn)年前）以來(lái)的黃土沉積中也十分常見(jiàn)，尤其是在中國(guó)黃土高原的黃土-古土壤序列中，保存著大量完好的化石蝸牛殼體。這些蝸?；癁槲覀冄芯窟^(guò)去極端天氣變化提供了極為寶貴的資料。

總結(jié)一下，蝸牛殼體因?yàn)樯L(zhǎng)速率快、在沉積地層中數(shù)量眾多且保存完好，成為了研究陸地古天氣的獨(dú)特載體。

黃土地層中不同種屬的化石蝸牛殼體照片。其中的白色短線代表1mm。(圖片來(lái)源：Wu et al., 2018)

問(wèn)題5：所以，我們只需要尋找蝸?；涂梢粤藛?？

在研究中我們需要尋找兩類(lèi)蝸牛：現(xiàn)代蝸牛和蝸?；?。

研究現(xiàn)代蝸牛是為了探究地球化學(xué)記錄和氣象參數(shù)的聯(lián)系。通過(guò)對(duì)現(xiàn)代蝸牛的地球化學(xué)分析，我們能夠精確確定蝸牛殼體上的地球化學(xué)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，就能將這些信號(hào)與特定時(shí)段的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。比如，若發(fā)現(xiàn)蝸牛殼體中的某種地球化學(xué)成分與氣溫變化之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，并且這一關(guān)聯(lián)能從地球化學(xué)原理上得到解釋，那么這種成分就可能成為氣溫的代用指標(biāo)。這個(gè)過(guò)程被稱為“現(xiàn)代校準(zhǔn)”。

至于蝸?；鼈兊淖饔脛t是重建過(guò)去的環(huán)境變化。通過(guò)將“現(xiàn)代校準(zhǔn)”得到的地球化學(xué)指標(biāo)應(yīng)用于化石蝸牛，我們能夠推測(cè)古代氣候/天氣和環(huán)境的狀況，從而為氣候變化的歷史提供寶貴的證據(jù)。

問(wèn)題6：需要找到怎樣的蝸牛？

在進(jìn)行現(xiàn)代蝸牛的研究時(shí)，我們通常會(huì)選擇那些正在活動(dòng)、個(gè)體大小適中的蝸牛。在進(jìn)行氧同位素分析時(shí)，需要建立一個(gè)準(zhǔn)確的“時(shí)間框架”。我們要為蝸牛殼體上的氧同位素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)確定一個(gè)日期，通常會(huì)把蝸牛采集的日期對(duì)應(yīng)到蝸牛殼口的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。這要求采集的蝸牛必須還在生長(zhǎng)中——它們必須是活的，且處于尚未完全成熟、個(gè)體大小中等的階段。這樣，蝸牛的殼體才會(huì)反映出所需的環(huán)境信息。

而在采集化石蝸牛時(shí)，我們會(huì)把所有采到的蝸牛殼帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行進(jìn)一步的檢查。首先需要通過(guò)掃描電鏡和/或X射線衍射等技術(shù)，來(lái)判斷這些蝸牛殼是否保存完好，是否發(fā)生了成巖蝕變。蝸牛的殼體主要由文石礦物組成，而文石是一種亞穩(wěn)態(tài)礦物，容易在漫長(zhǎng)的埋藏過(guò)程中發(fā)生變化。如果蝸牛殼體經(jīng)歷了成巖蝕變，這可能會(huì)改變其原本的氧同位素信號(hào)，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確反映原始的環(huán)境條件。最終會(huì)選擇那些保存完好、沒(méi)有明顯成巖蝕變的蝸牛殼體進(jìn)行進(jìn)一步分析。

怎么解讀蝸牛殼里的秘密？

問(wèn)題7 用什么方法可以從蝸牛身上解讀出極端天氣信息？

目前我們主要是對(duì)蝸牛的碳酸鹽殼體進(jìn)行高分辨率的氧同位素分析，在蝸牛殼體氧同位素組成的變化中提取極端天氣信息。

我們將蝸牛殼體帶回實(shí)驗(yàn)室，沿生長(zhǎng)線將蝸牛殼體切開(kāi)。殼頂部分用于包埋制片，即將殼頂填充環(huán)氧樹(shù)脂后粘貼于載玻片上，隨后利用牙鉆在顯微鏡下進(jìn)行蝸牛殼粉末樣的鉆取，取樣間距大約為500-700μm。

對(duì)應(yīng)蝸牛的生長(zhǎng)速率，這種手動(dòng)取樣的方法大致可以達(dá)到半周的時(shí)間分辨率；殼底部分會(huì)被鑲嵌至環(huán)氧樹(shù)脂靶內(nèi)，用于二次離子質(zhì)譜（SIMS）的分析，其中30-100μm就可以獲得一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，取樣分辨率可以達(dá)到天甚至小時(shí)級(jí)別。

a. 蝸牛殼體取樣分析流程圖；b. 蝸牛殼頂部分的包埋制片，鉆取的粉末樣用于氣相質(zhì)譜（GSMS）的氧同位素分析；c. 將蝸牛殼底部分鑲嵌至環(huán)氧樹(shù)脂靶內(nèi)，用于SIMS的氧同位素分析。（圖片來(lái)源：修改自Wang et al., 2024）

圖中紅色和綠色點(diǎn)線分別代表采自2020年9月16日和4月25日的兩只蝸牛殼體的超高分辨率氧同位素（δ18Os）記錄。4月25日之前的兩個(gè)蝸牛殼體δ18Os序列較為一致，表明不同殼體之間δ18Os具有較好的可重復(fù)性；4月25日至9月16日共145天時(shí)間，獲得δ18Os數(shù)據(jù)185個(gè)，數(shù)據(jù)的平均分辨率達(dá)到0.78天。（圖片來(lái)源：Dong et al., 2022）

問(wèn)題8 蝸牛是如何“記錄”鄭州“7.20”特大暴雨的？

2021年7月20日，鄭州市遭遇了一場(chǎng)極為罕見(jiàn)的特大暴雨（“7.20”暴雨），三天內(nèi)的降水量幾乎達(dá)到了當(dāng)?shù)厝杲邓康目偤?，這一事件被氣象學(xué)界稱為“千年一遇”。然而，所謂的“千年一遇”暴雨，是基于過(guò)去不到百年的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)推算出來(lái)的。隨著全球氣候變暖，極端天氣的頻發(fā)及其強(qiáng)度也在變化，因此，鄭州這場(chǎng)暴雨究竟是一次“千年一遇”的偶然事件，還是氣候變化背景下的“新常態(tài)”，仍然是一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。

為了探究這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)利用微米級(jí)的二次離子質(zhì)譜（SIMS）技術(shù)，分析了鄭州滎陽(yáng)地區(qū)現(xiàn)代條華蝸牛殼體中的氧同位素記錄，特別關(guān)注了2021年6月到9月之間蝸牛殼體中δ18O值的變化。研究發(fā)現(xiàn)，蝸牛殼體在這一時(shí)期發(fā)生了顯著的負(fù)偏移躍變，這一變化與暴雨的發(fā)生時(shí)間高度契合。此前的研究表明，蝸牛殼體中的δ18O值與降水的δ18O組成密切相關(guān)，而且鄭州地區(qū)夏秋季節(jié)的降水δ18O與降水量可能存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，蝸牛殼體中δ18O值的劇烈負(fù)偏移，很可能是由于“7.20”特大暴雨的降水所致。進(jìn)一步的研究表明，這種變化與通過(guò)通量平衡模型預(yù)測(cè)的暴雨引發(fā)的蝸牛殼體δ18O變化幅度高度吻合，支持了這一推斷。這一發(fā)現(xiàn)展示了蝸牛殼體的氧同位素記錄在定量重建天氣尺度的極端降水事件中的潛力，為連接氣象記錄與地質(zhì)資料提供了新的視角。

如果將這一研究方法拓展到化石蝸牛中，我們可能能夠獲得過(guò)去氣候快速變暖時(shí)期類(lèi)似“7.20”暴雨規(guī)模的極端降水事件的頻率和強(qiáng)度信息。這些信息不僅有助于我們更好地理解極端天氣事件在歷史上的表現(xiàn)，還可以為預(yù)測(cè)未來(lái)全球變暖情境下類(lèi)似暴雨事件的發(fā)生規(guī)律提供歷史相似型，從而為氣候變化的影響評(píng)估與應(yīng)對(duì)措施提供更加精準(zhǔn)的科學(xué)依據(jù)。

日分辨率蝸牛殼體氧同位素定量重建“7.20”特大暴雨。（a）SIMS測(cè)定的兩只現(xiàn)代蝸牛（樣本0918-1和1218-1）的日分辨率殼體氧同位素記錄。黑色箭頭代表殼體生長(zhǎng)方向。（b）鄭州逐日降水記錄（數(shù)據(jù)來(lái)源：http://data.cma.cn/）。藍(lán)色陰影表示“7.20”特大暴雨造成了蝸牛殼體氧同位素發(fā)生劇烈負(fù)躍變（c）為（a）圖中虛線矩形部分的放大圖，為“7.20”特大暴雨導(dǎo)致的兩個(gè)現(xiàn)代蝸牛樣本實(shí)測(cè)δ18Oshell 振幅的對(duì)比。（d）“7.20”特大暴雨造成的蝸牛殼體氧同位素振幅的理論值（紅色）和實(shí)測(cè)值（黑色）的概率密度分布。（e）“7.20”暴雨引起蝸牛殼體氧同位素理論值（紅色）和實(shí)測(cè)值（黑色）的平均值及90%置信區(qū)間。（圖片來(lái)源：Wang et al., 2024）

采蝸牛路上，我們都變成了“兵馬俑”

問(wèn)題9 在找蝸牛的過(guò)程中有什么趣事嗎？

那可太多了，跟大家分享兩件小事吧。

1. “盜墓風(fēng)波”

采樣工作場(chǎng)地真有點(diǎn)像考古現(xiàn)場(chǎng)。每當(dāng)我們?cè)谄拭嬷忻χ诰?、篩選化石，土層中露出的古老沉積物和化石，總是讓人忍不住聯(lián)想到遠(yuǎn)古的遺址。

有一次，附近的村民開(kāi)始圍觀，甚至有些人開(kāi)玩笑說(shuō)，莫非我們是在挖掘“古墓”或“寶藏”？圍觀的人越來(lái)越多，其中一位村民還擔(dān)心“非法挖掘”，便去報(bào)警了。警察很快趕到現(xiàn)場(chǎng)，我們只得停下手中的工作，耐心地向他們解釋我們的科研任務(wù)，只是采集化石蝸牛而不是在發(fā)掘古代遺物。

經(jīng)過(guò)一番解釋，警察終于明白了我們的研究?jī)?nèi)容，圍觀的村民也紛紛表示理解。不過(guò)，這個(gè)誤會(huì)還是給我們帶來(lái)了一些有趣的經(jīng)歷。大家都對(duì)這個(gè)科研工作產(chǎn)生了興趣，甚至有些村民主動(dòng)提出，愿意帶我們?nèi)ニ麄兗腋浇摹肮爬线z址”看看，結(jié)果發(fā)現(xiàn)那些地方不過(guò)是些普通的洞穴而已。

2. 洗不干凈的臉

為了采集化石蝸牛，我們需要挖掘探坑，每次將10cm深的黃土挖出，然后人工過(guò)篩，篩出蝸牛殼。有一次采樣時(shí)是初春，風(fēng)特別大，周?chē)秩莿傔^(guò)篩的松散黃土，一陣微風(fēng)一吹，就會(huì)把黃土卷起來(lái)，瞬間給我們來(lái)一場(chǎng)局部的小型“沙塵暴”。所以，每天工作結(jié)束后，大家就像剛從土里刨出來(lái)的兵馬俑，渾身上下都成了“土”色。

這種細(xì)小的黃土粒子，吸附性非常好，簡(jiǎn)直像是天生的“黏土”，無(wú)論我們?cè)趺聪矗趺床粒己茈y把它們徹底去除。就算洗完澡之后，用毛巾擦臉，毛巾也會(huì)變成“土黃”色。更令人驚訝的是，野外工作結(jié)束后，我們有隊(duì)員一周后依然感覺(jué)臉上的皮膚悶悶的，像是透不過(guò)氣。去專業(yè)機(jī)構(gòu)檢查后才發(fā)現(xiàn)，臉上的毛孔里，竟然還殘留著黃土！

分析采樣的黃土粒度（這種粒度通常用來(lái)反映冬季風(fēng)的強(qiáng)度）后，我們發(fā)現(xiàn)這些土粒的大小大約在30-50微米，而人的毛孔大小通常在100-300微米之間。換句話說(shuō)，每個(gè)毛孔里可以輕松“容納”三五粒土，所以即便精心清潔，還是難以徹底清除這些細(xì)小的土粒。這也是一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)——原來(lái)，黃土的細(xì)微粒子不僅能證明氣候變化，還能潛藏在我們的皮膚上，成為“地質(zhì)研究”的一部分！

問(wèn)題10 這種方法可以推廣到黃土高原之外嗎？

當(dāng)然可以。如果可以在黃土高原之外，找到具有保存完好蝸?；某练e地層，也可以開(kāi)展相關(guān)工作。

問(wèn)題11 未來(lái)，蝸牛還能帶來(lái)更多的天氣信息么？

我們未來(lái)的研究計(jì)劃主要包括兩個(gè)方面。

首先，我們將繼續(xù)深入研究黃土中化石蝸牛的氧同位素，以重建地質(zhì)歷史中不同氣候背景下極端降水的頻率和強(qiáng)度，幫助預(yù)測(cè)全球變暖背景下未來(lái)極端降水事件的趨勢(shì)，并評(píng)估現(xiàn)有氣候模型在模擬極端天氣方面的準(zhǔn)確性。其次，我們計(jì)劃開(kāi)發(fā)新的蝸牛古天氣代用指標(biāo)，進(jìn)一步拓展研究領(lǐng)域。我們將探索蝸牛殼體中更多的氣候信息，如溫度和濕度變化等，為更精確的古天氣重建提供新的工具。

通過(guò)這些研究，我們希望能夠更好地理解過(guò)去的氣候變化，為未來(lái)極端天氣事件的預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

左上圖為中國(guó)黃土高原的黃土-古土壤沉積序列照片，其中黃土呈沉積灰黃色，古土壤沉積呈紅褐色，二者互層。右上圖是從黃土-古土壤沉積序列中采集到的化石蝸牛樣本。左下圖為采集化石蝸牛時(shí)所挖的黃土探坑，我們將每10cm厚的黃土進(jìn)行一次過(guò)篩，篩選出其中的化石蝸牛。右下圖為左圖探坑中所采集化石蝸牛數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

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作者：王國(guó)楨

作者單位：中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所

（除注明來(lái)源者外，本文圖片均由作者提供）