逼近真实的远古气候

杨洪

漫长而连续的化石记录、现生的对照种以及缓慢的演化速率，这些特质让水杉成为最适宜的古气候指针之一

“猜猜这些水杉化石的形成年代距今多久了？”杨洪从装满实验材料的冰箱中取出一个比烟盒稍大的黑色盒子，打开让记者观看。盒子里是像碎烟叶一样的片状物，这些碎片的基底为深褐色，里面镶嵌着黑绿色的叶片。
 
面对从几十万到几百万年的猜测，杨洪抛出一个答案，“这些材料是距今4500万年前的超常保存的水杉化石”。
 
杨洪是美国布莱恩特大学教授。近几年，他的主要科研工作就是解读这些化石材料中隐藏的古代气候信息。他与合作者建立的一套重建古近纪（旧称早第三纪）时期高纬度地区水气环境的新模型，不仅模拟精度比以往的模型更为精确，还解释了旧模型无法解释的高纬度植物化石氢同位素值。
 
从化石中“刨”答案
 
对新生代的气候研究，一直是科学界的重点和热点。特别是在新生代的第一个纪——古近纪——存在一个显著的全球变暖时期和几个短时骤热事件，在科学家看来，古近纪全球变暖的背景可以作为研究现代气候变化的重要的地质学参照物。
 
杨洪认为，在影响远古气候的各种因素中，大气环境是一个关键要素，同时其机制和模型也是最难重建的。如果能够把极区气团在远古时代地球动力学中所扮演的重要角色了解清楚，那么科学家在评估当今全球气候系统和预测未来气候变化时都会更加精确。因此，他们的研究也就从这个角度切入，试图重建北极地区在古近纪时期的水气环境。
 
尽管古近纪升温期如此重要，但由于此前从地球高纬度地区特别是极区获得的带有古近纪气候信息的海洋沉积记录不多，又因当时没有极地冰盖因而不可能存在冰芯记录，这两种最常见的用以推测古气候信息的资料的缺乏导致了科学家对极区古近纪气候的认识受到了限制。
 
转机出现在加拿大。从位于北纬80度附近的阿克塞尔海伯格岛和埃尔斯米尔岛发现的大量超常保存的植物化石，为科学家提供了可在分子水平上开展精细分析的适宜材料。这些数量丰富且保存超常的落叶松柏类植物化石主要从属于水杉、落羽杉和落叶松三个落叶种，从这些化石中提取出的古分子甚至含有不稳定的生物大分子，而这种情况通常只发生在形成于几千年前的化石材料中。这对因研究材料缺失而一筹莫展的科学家来讲，无疑是久旱逢甘霖。
 
与此同时，化石分析手段和相关理论也有了突破性的进展。杨洪介绍说，首先是可用于精确数量分析的有机分子氢同位素测试法有了突破。其次，近来的研究已经探明了评估植物类脂分子氢同位素分馏的因素。所谓同位素分馏，是指植物生理过程导致的从环境中吸收和固定下来的同位素组成的改变，例如植物通过光合作用把二氧化碳与水合成为碳水化合物与氧气，这个复杂的过程最终导致植物有机分子上的氢元素与环境水中的氢元素具有不同的同位素组成，即重氢（氘）和普通氢的比值产生变化。
 
中国科学院南京地质古生物研究所研究员冷琴与杨洪有着紧密的研究合作。她这样描述他们的研究思路：首先根据现生水杉叶的氢同位素分馏情况，建立一个与现代水气环境紧密联系的模型，然后获取水杉叶化石的氢同位素分馏数据，最后将数据代入已建立的古代极区生态系统模型，去定量化恢复古代水气环境。
 
此前，“从未有人定量恢复北极地区古近纪的水气环境。”杨洪说。