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我們對時間的認知。當科學家們用放射性碳測年技術檢測這些殼體時，卻意外發現它們比同地層的其他材料“老”了幾千年——這一反常現象被稱為“老碳效應”。究竟是時間標尺出了錯，還是蝸牛殼隱藏著不為人知的秘密？

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最近，我們（中國科學院地球環境研究所的科研團隊）通過跨學科協作與創新方法，成功破解了這一困擾科學界數十年的難題，為地質與考古研究提供了更精準的“時間標尺”。讓我們一起揭開蝸牛殼背后的時光之謎，探尋地球記憶的真相。

Part.1

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驗室，利用放射性碳測年技術揭示它們背后的氣候變遷與人類活動歷史。這項技術是作為地質與考古領域常用的“時間工具”，能夠幫助我們判斷動植物遺骸在數千年甚至上萬年前的沉積時間。

可實驗結果卻令人困惑——這些蝸牛殼體似乎“太老了”。一些殼體的測年結果比它們所在地層中其他可靠材料的年代老了兩三千年！

事實上，這一現象并不新鮮。早在1956年，美國地質學家Meyer Rubin在研究內布拉斯加州地層時，便首次記錄了類似案例：上覆地層中的蝸牛殼測年結果，竟比下方古老土壤中的有機質還年長3000多年！

這是怎么回事？難道測年技術出了問題？或是樣品受到了污染？這些疑問讓科學家意識到，蝸牛殼在放射性碳測年應用中，可能隱藏著一種特殊的“時間偏差”。

Part.2

“時間標尺”失效，“老碳效應”是罪魁禍首

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

要理解這個問題，我們首先需要了解放射性碳測年法的原理。在自然界中，碳元素包含一部分具有放射性的碳，它們在大氣中持續產生，并通過食物鏈進入動植物體內。當生物死亡后，其體內碳的補充隨之停止，并開始按固定速率衰變。科學家通過測量殘留的碳含量，便能反推出生物死亡的時間。

但蝸牛殼卻讓這把“時間標尺”失了準。蝸牛殼主要由碳酸鈣（主要成分為石灰石）構成，碳酸鈣的來源并不完全是大氣、水、食物中的“新鮮碳”。在某些環境下，蝸牛還會攝取土壤、巖石中的石灰巖。這些在地層中沉睡了上萬年的石灰巖碳，早已沒有了放射性碳，就像過期的時間標簽，一旦被蝸牛吃進身體里，就會讓整枚殼的“出生證”提前幾千年。

蝸牛殼化石碳來源示意圖（圖片來源：作者自制）

發現并確認這一現象還有一段有趣的故事。20世紀50年代，伊利諾伊大學的Max教授在參觀一個開放式的印度廚房時，意外觀察到一些蝸牛正在啃食貽貝（一類海洋軟體動物）裸露的外殼。回到實驗室后，他將蝸牛飼養在含有石灰石碎塊的環境中，竟然發現蝸牛會主動攝食石灰質材料，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）。

后來，地質學家Meyer Rubin在同位素標定實驗中進一步證實：蝸牛在進食時，確實會把石灰石碳混入自己的殼體。經過二十多年的研究，石灰石效應正式在文獻中被提出，證實蝸牛生長時會啃食并利用石灰石構建殼體，這就是導致殼體年代偏老的關鍵原因。

Part.3

破解“老碳效應”的早期嘗試

因此，破解“老碳效應”這個影響殼體測年準確性的關鍵難題，成為了研究熱點。

早期科學家們提出假設：埋藏在地層中的蝸牛化石與其現代的同種活體蝸牛具有相似的老碳效應值。因此，他們嘗試利用現生同種蝸牛的老碳異常值，對地層中蝸牛殼體化石的老碳效應進行校正。例如，北京地質所的許冰研究員在對黃土高原現代存活的Cathaica屬蝸牛調查時，發現該屬的蝸牛老碳效應值非常接近，平均約為1130年。基于此，后續對該地區黃土地層中的蝸牛化石殼體定年時，統一扣除了這一數值，進行年代校正。

然而，這種做法面臨幾個關鍵問題。首先，地層中保存的殼體化石并不一定在現代存活，這意味著該方法僅適用于一些特定情況。更遺憾的是，對蝸牛的現代調查發現，殼體的石灰石效應并不固定。不同地區、不同種類的蝸牛，甚至同一地點的同一種屬的不同個體，所攝入的石灰巖比例都可能不同，使得每一個測年的結果都潛藏著“不可預知的誤差”。于是，一部分科學家悲觀地認為，想要用統一的校正因子來修正殼體的石灰石效應，這幾乎是不可行的。

Part.4

成功校準殼體測年的“時光偏差”

面對這一世界性難題，我們團隊（中國科學院地球環境研究所研究員周衛健帶領的科研團隊）在青藏高原地區的研究中取得了突破。青藏高原地區是地球生物、環境、氣候演化研究的重要“檔案館”。我們選取了該地區南北緣的兩個黃土剖面。在這兩個剖面中，保存著大量完好的蝸牛殼體，同時伴生有豐富的碳屑——來源于當時的草類植物，不存在“老木效應”（是指樹木在生長過程中，內部早期形成的年輪會提前停止與環境中碳的交換，因此長壽樹的樹心往往比外層年輪古老得多。放射性碳測定反映的是所取樣木材停止與環境交換的時間，而不是樹木被砍伐、使用或燃燒的時間。因此，測出的年代可能比實際事件早幾十年，甚至上百年。），是極好的、可靠的年代對比材料。

剖面的地理位置圖

兩個剖面的照片（圖片來源：參考文獻[3]）

我們對多個地層層位的蝸牛殼和碳屑分別進行了大規模的放射性碳測年，并對各類能指示過去環境特征的理化指標進行了分析，最終對蝸牛種屬、生活環境與殼體碳源之間的關系展開了詳細探討。

研究發現：在過去長達幾千年的歲月中，兩個剖面的氣候環境均較為穩定，沒有發生極端的變化。在這種長期穩定的環境背景下，同一種蝸牛所展現的老碳效應始終保持著穩定。這是由于蝸牛的老碳吸收特征與其生理機制與棲息偏好有關，在環境穩定的情況下，同一種屬的蝸牛生長時所吸收的石灰巖碳比例是近乎穩定的。

此外，我們收集了已發表的中國及北美各地現代蝸牛調查數據，發現這個規律同樣存在。這意味著，之前認為不可控的殼體“老碳效應”有了校正的理論基礎。

基于上述發現，我們團隊提出了一種全新的老碳效應校正方法——“平均值法”。它并不依賴現代蝸牛樣本，而是從大量測年數據中提取出老碳效應導致的平均系統偏移信號。通過統計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校正的流程，從而實現了對蝸牛殼測年結果的“批量還原”。

我們將校正后的蝸牛殼年代與可靠碳屑測年的結果進行對比，驚喜地發現它們幾乎完全重合，說明這種方法具有極高的精度與可靠性。并且，相比于傳統的現代值校正方法，新的方法有效避免了殼體個體差異帶來的校準偏差。同時，不依賴于現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題方法學上的一次重大進步。

Part.5

小殼體大用途，助力地球的“記憶重建”

“老碳效應”的破解，離不開對自然規律的長期觀測與跨學科協作，更體現了科學家們對實驗數據的敏銳洞察與創新思維。隨著測年精度的提升，沉積物中埋藏的蝸牛殼體將被更有效地用于重建地質時期氣候和環境變遷歷史等領域的研究。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，其定年校準方法的提出將有助于揭示古人類遷徙、農業起源等關鍵事件的時間脈絡。

圖片來源：pixabay

未來，這一方法有望推廣至其他碳酸鹽生物化石，如介形類、貝殼、珊瑚等，進一步提高它們的測年精度，為地球的“記憶重建”提供更加清晰的時間刻度。

從一枚枚蝸牛殼，到解開隱藏其中的“時間密碼”，這項研究展現了基礎科學的巨大力量。誰能想到，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演化的“時間印章”？這也恰恰彰顯出科學的魅力——每一個未被忽視的細微之處，或許都藏著自然饋贈給我們的線索。

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出品：科普中國

作者：胡嚴（中國科學院地球環境研究所）

監制：中國科普博覽

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