在青藏高原的一處古遺址，一枚枚沉睡千年的蝸牛殼化石正悄然改寫(xiě)我們對(duì)時(shí)間的認(rèn)知。當(dāng)科學(xué)家們用放射性碳測(cè)年技術(shù)檢測(cè)這些殼體時(shí)，卻意外發(fā)現(xiàn)它們比同地層的其他材料“老”了幾千年——這一反常現(xiàn)象被稱(chēng)為“老碳效應(yīng)”。究竟是時(shí)間標(biāo)尺出了錯(cuò)，還是蝸牛殼隱藏著不為人知的秘密？

最近，我們（中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所的科研團(tuán)隊(duì)）通過(guò)跨學(xué)科協(xié)作與創(chuàng)新方法，成功破解了這一困擾科學(xué)界數(shù)十年的難題，為地質(zhì)與考古研究提供了更精準(zhǔn)的“時(shí)間標(biāo)尺”。讓我們一起揭開(kāi)蝸牛殼背后的時(shí)光之謎，探尋地球記憶的真相。

同地層中，蝸牛殼竟然“更顯老”

在青藏高原古遺址的黃土層中，考古學(xué)家們小心翼翼地剝離出一枚枚保存完好的蝸牛殼化石。這些殼體如同沉睡千年的時(shí)光信使，承載著地球歷史的秘密。為了揭示這些秘密，研究人員將它們送往實(shí)驗(yàn)室，利用放射性碳測(cè)年技術(shù)揭示它們背后的氣候變遷與人類(lèi)活動(dòng)歷史。這項(xiàng)技術(shù)是作為地質(zhì)與考古領(lǐng)域常用的“時(shí)間工具”，能夠幫助我們判斷動(dòng)植物遺骸在數(shù)千年甚至上萬(wàn)年前的沉積時(shí)間。

可實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻令人困惑——這些蝸牛殼體似乎“太老了”。一些殼體的測(cè)年結(jié)果比它們所在地層中其他可靠材料的年代老了兩三千年！

事實(shí)上，這一現(xiàn)象并不新鮮。早在1956年，美國(guó)地質(zhì)學(xué)家Meyer Rubin在研究?jī)?nèi)布拉斯加州地層時(shí)，便首次記錄了類(lèi)似案例：上覆地層中的蝸牛殼測(cè)年結(jié)果，竟比下方古老土壤中的有機(jī)質(zhì)還年長(zhǎng)3000多年！

這是怎么回事？難道測(cè)年技術(shù)出了問(wèn)題？或是樣品受到了污染？這些疑問(wèn)讓科學(xué)家意識(shí)到，蝸牛殼在放射性碳測(cè)年應(yīng)用中，可能隱藏著一種特殊的“時(shí)間偏差”。

“時(shí)間標(biāo)尺”失效，“老碳效應(yīng)”是罪魁禍?zhǔn)?/h5>

實(shí)際上，蝸牛殼“顯老”是由“老碳效應(yīng)”（也叫“石灰石效應(yīng)”）導(dǎo)致的。那到底什么是蝸牛殼體的“老碳效應(yīng)”呢？

要理解這個(gè)問(wèn)題，我們首先需要了解放射性碳測(cè)年法的原理。在自然界中，碳元素包含一部分具有放射性的碳，它們?cè)诖髿庵谐掷m(xù)產(chǎn)生，并通過(guò)食物鏈進(jìn)入動(dòng)植物體內(nèi)。當(dāng)生物死亡后，其體內(nèi)碳的補(bǔ)充隨之停止，并開(kāi)始按固定速率衰變。科學(xué)家通過(guò)測(cè)量殘留的碳含量，便能反推出生物死亡的時(shí)間。

但蝸牛殼卻讓這把“時(shí)間標(biāo)尺”失了準(zhǔn)。蝸牛殼主要由碳酸鈣（主要成分為石灰石）構(gòu)成，碳酸鈣的來(lái)源并不完全是大氣、水、食物中的“新鮮碳”。在某些環(huán)境下，蝸牛還會(huì)攝取土壤、巖石中的石灰?guī)r。這些在地層中沉睡了上萬(wàn)年的石灰?guī)r碳，早已沒(méi)有了放射性碳，就像過(guò)期的時(shí)間標(biāo)簽，一旦被蝸牛吃進(jìn)身體里，就會(huì)讓整枚殼的“出生證”提前幾千年。

蝸牛殼化石碳來(lái)源示意圖

（圖片來(lái)源：作者自制）

發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)這一現(xiàn)象還有一段有趣的故事。20世紀(jì)50年代，伊利諾伊大學(xué)的Max教授在參觀一個(gè)開(kāi)放式的印度廚房時(shí)，意外觀察到一些蝸牛正在啃食貽貝（一類(lèi)海洋軟體動(dòng)物）裸露的外殼。回到實(shí)驗(yàn)室后，他將蝸牛飼養(yǎng)在含有石灰石碎塊的環(huán)境中，竟然發(fā)現(xiàn)蝸牛會(huì)主動(dòng)攝食石灰質(zhì)材料，并排出顏色異常潔白的糞便（暗示白色的石灰石碎塊成功被蝸牛利用并代謝出體內(nèi)）。

后來(lái)，地質(zhì)學(xué)家Meyer Rubin在同位素標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步證實(shí)：蝸牛在進(jìn)食時(shí)，確實(shí)會(huì)把石灰石碳混入自己的殼體。經(jīng)過(guò)二十多年的研究，石灰石效應(yīng)正式在文獻(xiàn)中被提出，證實(shí)蝸牛生長(zhǎng)時(shí)會(huì)啃食并利用石灰石構(gòu)建殼體，這就是導(dǎo)致殼體年代偏老的關(guān)鍵原因。

破解“老碳效應(yīng)”的早期嘗試

因此，破解“老碳效應(yīng)”這個(gè)影響殼體測(cè)年準(zhǔn)確性的關(guān)鍵難題，成為了研究熱點(diǎn)。

早期科學(xué)家們提出假設(shè)：埋藏在地層中的蝸牛化石與其現(xiàn)代的同種活體蝸牛具有相似的老碳效應(yīng)值。因此，他們嘗試?yán)矛F(xiàn)生同種蝸牛的老碳異常值，對(duì)地層中蝸牛殼體化石的老碳效應(yīng)進(jìn)行校正。例如，北京地質(zhì)所的許冰研究員在對(duì)黃土高原現(xiàn)代存活的Cathaica屬蝸牛調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)該屬的蝸牛老碳效應(yīng)值非常接近，平均約為1130年。基于此，后續(xù)對(duì)該地區(qū)黃土地層中的蝸牛化石殼體定年時(shí)，統(tǒng)一扣除了這一數(shù)值，進(jìn)行年代校正。

然而，這種做法面臨幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。首先，地層中保存的殼體化石并不一定在現(xiàn)代存活，這意味著該方法僅適用于一些特定情況。更遺憾的是，對(duì)蝸牛的現(xiàn)代調(diào)查發(fā)現(xiàn)，殼體的石灰石效應(yīng)并不固定。不同地區(qū)、不同種類(lèi)的蝸牛，甚至同一地點(diǎn)的同一種屬的不同個(gè)體，所攝入的石灰?guī)r比例都可能不同，使得每一個(gè)測(cè)年的結(jié)果都潛藏著“不可預(yù)知的誤差”。于是，一部分科學(xué)家悲觀地認(rèn)為，想要用統(tǒng)一的校正因子來(lái)修正殼體的石灰石效應(yīng)，這幾乎是不可行的。

成功校準(zhǔn)殼體測(cè)年的“時(shí)光偏差”

面對(duì)這一世界性難題，我們團(tuán)隊(duì)（中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所研究員周衛(wèi)健帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)）在青藏高原地區(qū)的研究中取得了突破。青藏高原地區(qū)是地球生物、環(huán)境、氣候演化研究的重要“檔案館”。我們選取了該地區(qū)南北緣的兩個(gè)黃土剖面。在這兩個(gè)剖面中，保存著大量完好的蝸牛殼體，同時(shí)伴生有豐富的碳屑——來(lái)源于當(dāng)時(shí)的草類(lèi)植物，不存在“老木效應(yīng)”（是指樹(shù)木在生長(zhǎng)過(guò)程中，內(nèi)部早期形成的年輪會(huì)提前停止與環(huán)境中碳的交換，因此長(zhǎng)壽樹(shù)的樹(shù)心往往比外層年輪古老得多。放射性碳測(cè)定反映的是所取樣木材停止與環(huán)境交換的時(shí)間，而不是樹(shù)木被砍伐、使用或燃燒的時(shí)間。因此，測(cè)出的年代可能比實(shí)際事件早幾十年，甚至上百年。），是極好的、可靠的年代對(duì)比材料。

剖面的地理位置圖

兩個(gè)剖面的照片

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]）

我們對(duì)多個(gè)地層層位的蝸牛殼和碳屑分別進(jìn)行了大規(guī)模的放射性碳測(cè)年，并對(duì)各類(lèi)能指示過(guò)去環(huán)境特征的理化指標(biāo)進(jìn)行了分析，最終對(duì)蝸牛種屬、生活環(huán)境與殼體碳源之間的關(guān)系展開(kāi)了詳細(xì)探討。

研究發(fā)現(xiàn)：在過(guò)去長(zhǎng)達(dá)幾千年的歲月中，兩個(gè)剖面的氣候環(huán)境均較為穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生極端的變化。在這種長(zhǎng)期穩(wěn)定的環(huán)境背景下，同一種蝸牛所展現(xiàn)的老碳效應(yīng)始終保持著穩(wěn)定。這是由于蝸牛的老碳吸收特征與其生理機(jī)制與棲息偏好有關(guān)，在環(huán)境穩(wěn)定的情況下，同一種屬的蝸牛生長(zhǎng)時(shí)所吸收的石灰?guī)r碳比例是近乎穩(wěn)定的。

此外，我們收集了已發(fā)表的中國(guó)及北美各地現(xiàn)代蝸牛調(diào)查數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律同樣存在。這意味著，之前認(rèn)為不可控的殼體“老碳效應(yīng)”有了校正的理論基礎(chǔ)。

基于上述發(fā)現(xiàn)，我們團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的老碳效應(yīng)校正方法——“平均值法”。它并不依賴現(xiàn)代蝸牛樣本，而是從大量測(cè)年數(shù)據(jù)中提取出老碳效應(yīng)導(dǎo)致的平均系統(tǒng)偏移信號(hào)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析這些異常值與碳屑年代之間的平均差異，我們建立了一套可以用于整體老碳效應(yīng)校正的流程，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)蝸牛殼測(cè)年結(jié)果的“批量還原”。

我們將校正后的蝸牛殼年代與可靠碳屑測(cè)年的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驚喜地發(fā)現(xiàn)它們幾乎完全重合，說(shuō)明這種方法具有極高的精度與可靠性。并且，相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)代值校正方法，新的方法有效避免了殼體個(gè)體差異帶來(lái)的校準(zhǔn)偏差。同時(shí)，不依賴于現(xiàn)代活體使得其適用性非常廣泛。因此，“平均值法”的提出是蝸牛老碳校正問(wèn)題方法學(xué)上的一次重大進(jìn)步。

小殼體大用途，助力地球的“記憶重建”

“老碳效應(yīng)”的破解，離不開(kāi)對(duì)自然規(guī)律的長(zhǎng)期觀測(cè)與跨學(xué)科協(xié)作，更體現(xiàn)了科學(xué)家們對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的敏銳洞察與創(chuàng)新思維。隨著測(cè)年精度的提升，沉積物中埋藏的蝸牛殼體將被更有效地用于重建地質(zhì)時(shí)期氣候和環(huán)境變遷歷史等領(lǐng)域的研究。此外，在許多考古遺址中，蝸牛殼體同樣也是常用的定年材料之一，其定年校準(zhǔn)方法的提出將有助于揭示古人類(lèi)遷徙、農(nóng)業(yè)起源等關(guān)鍵事件的時(shí)間脈絡(luò)。

未來(lái)，這一方法有望推廣至其他碳酸鹽生物化石，如介形類(lèi)、貝殼、珊瑚等，進(jìn)一步提高它們的測(cè)年精度，為地球的“記憶重建”提供更加清晰的時(shí)間刻度。

從一枚枚蝸牛殼，到解開(kāi)隱藏其中的“時(shí)間密碼”，這項(xiàng)研究展現(xiàn)了基礎(chǔ)科學(xué)的巨大力量。誰(shuí)能想到，那些土層中小到不起眼的殼體，如今成了追溯地球歷史與人類(lèi)演化的“時(shí)間印章”？這也恰恰彰顯出科學(xué)的魅力——每一個(gè)未被忽視的細(xì)微之處，或許都藏著自然饋贈(zèng)給我們的線索。

參考文獻(xiàn)：

[1]Goodfriend, G.A., Stipp, J.J., 1983. Limestone and the problem of radiocarbon dating of land-snail shell carbonate. Geology 11, 575.

[2]Hu, Y., Cheng, P., Dong, J., Zhao, H., Zang, M., Lan, M., Lu, X., Zhou, W., 2025a. Radiocarbon age anomalies, potential carbon sources analysis and correction of terrestrial gastropods in a loess sequence from Kunlun Mountains since 3.6 ka. Quat. Sci. Adv. 17, 100261.

[3]Hu, Y., Zhou, W., Cheng, P., Dong, J., Chui, Y., Zhou, J., Li, W., Zhao, H., Zang, M., Lan, M., Gu, H., Lu, X., 2025b. A novel mean-value-based approach for correcting radiocarbon age anomalies in terrestrial gastropods: Insights from the Tibetan Plateau. Quat. Sci. Rev. 356, 109284.

[4]Leighton, M.M., 1960. The Classification of the Wisconsin Glacial Stage of North Central United States. J. Geol.

[5]Pigati, J.S., 2015. Radiocarbon Dating of Terrestrial Carbonates, in: Jack Rink, W., Thompson, J.W. (Eds.), Encyclopedia of Scientific Dating Methods. Springer Netherlands, Dordrecht, pp. 680–685.

[6]Rubin, M., Likins, R.C., Berry, E.G., 1963. On the Validity of Radiocarbon Dates from Snail Shells. J. Geol. 71, 84–89.

[7]Rubin, M., Suess, H.E., 1956. U. S. Geological Survey Radiocarbon Dates III. Science 123, 442–448.

[8]Xu, B., Gu, Z., Han, J., Hao, Q., Lu, Y., Wang, L., Wu, N., Peng, Y., 2011. Radiocarbon age anomalies of land snail shells in the Chinese Loess Plateau. Quat. Geochronol. 6, 383–389.

[9]Xu, B., Gu, Z., Pei, Y., Lv, Y., 2017. Radiocarbon dating of the Pleistocene/Holocene climatic transition across the Chinese Loess Plateau. Quat. Geochronol. 41, 112–118.

[10]Zhou W., Head M.J., Wang F., Donahue D.J., Jull A.J.T., 1999. The Reliability of AMS Radiocarbon Dating of Shells from China. Radiocarbon 41, 17–24.

[11] Schiffer, M.B., 1986. Radiocarbon dating and the “old wood” problem: The case of the Hohokam chronology. Journal of Archaeological Science 13, 13–30.

出品：科普中國(guó)

作者：胡嚴(yán)（中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所）

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