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不要誤會，這不是一支考古小分隊，這些人正在黃土高原上尋找一種常見生物——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：

大院er找到了一個“采”蝸牛的人，請他回答了一些關于“蝸牛與天氣”的疑問。

天氣信息，不止記錄在氣象站里

問題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組成的變化可以反映氣候環境的信息。因此，通過分析和研究地層中埋藏的化石蝸牛，就可以獲得過去氣候變化的信息。

問題2 既然是“過去的氣候變化”，為什么今天還要研究？

現代氣象數據來源于氣象臺站、衛星觀測等手段，這些數據為我們理解氣候系統提供了重要基礎。然而，人類系統性地、高質量地記錄氣象變化的歷史最多不過一百多年。僅憑這一百多年的氣象觀測資料，我們很難完全理解地球氣候和天氣的運作模式，更難以準確預測未來的氣候變化。

舉個例子，過去一百多年間，全球平均氣溫上升了約1.2℃。但這1.2℃的升溫情景，實際上是我們所掌握的氣候變化的全部觀測數據。基于這一有限的觀測數據，若要預測未來3-5℃的升溫情景下的氣候和天氣，顯然會帶來較大的不確定性。

古氣候資料能夠大大延長我們對氣候變化的觀測歷史。自19世紀以來，地質學家們便開始從地質和生物載體中提取氣候變化的相關信息，并發展出了多種可以用來重建過去氣候變化的古氣候載體，例如，通過分析黃土沉積的磁化率和粒度，我們可以重建過去東亞地區夏季風和冬季風的強度變化；利用深海沉積物中有孔蟲的殼體元素比值，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合，科學家們成功地重建了過去數億年的氣候變化框架，極大地豐富了人們對地球氣候歷史的理解。最近的一項研究便成功地重建了過去4.85億年來的全球平均表面溫度變化。

過去4.85億年間的全球平均表面溫度變化如圖所示。灰色陰影對應不同的置信水平，黑線顯示均值。頂部的彩色帶反映了氣候狀態，較冷的顏色表示“冰室”氣候，較暖的顏色表示“溫室”氣候，灰色表示過渡狀態。發現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間都要低（5億多年以來）。我們的星球也曾經有過比現在平均高20℃的時期，但是那時地球上還沒有人（或者沒有這么多人），這也是我們現在要關注全球變暖的重要原因。

（圖片來源：Judd et al., 2024）

為什么選擇了蝸牛？

問題3 研究新聞中提到“蝸牛能夠反映極端降水的趨勢”，為什么我們要關注“趨勢”，有天氣預報還不行嗎？

天氣預報主要聚焦于短期的氣象變化，通常涵蓋幾天到幾周的時間范圍，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注長期的氣候和天氣變化趨勢，時間尺度往往是幾十年、幾百年甚至幾千年。通過掌握長期的極端天氣變化趨勢，我們可以揭示這些極端事件與氣候系統之間的相互關系，以及它們如何在不同的氣候背景下發生變化。

舉個例子，長期極端降水趨勢的研究結果能展示在不同氣候條件下，降水的頻率和強度會如何波動。通過分析過去的氣候變化模式，尤其是與當前氣候變暖相似的歷史時期，人們能夠預測未來極端降水事件的發生趨勢和變化。這為預測和應對未來可能發生的極端天氣事件提供了寶貴的參考。

此外，長期趨勢的研究對基礎設施建設和災害防范也至關重要。例如，如果發現某個地區在氣候變暖的背景下出現了降水模式的顯著變化，那么這一信息將有助于指導該地區的水利設施設計、洪水防控措施以及應急預案的制定。

問題4 這個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？

盡管已經能夠描繪出過去數億年氣候變化的大致框架，發現過往的大暖期和快速增溫的時期，但人們對溫暖背景下極端天氣特征的了解依然非常有限。換句話說，對全球變暖之后天氣系統可能發生的變化，諸如臺風、暴雨、熱浪等極端天氣事件的發生頻率與強度變化，人類幾乎沒有可靠的認識。

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

常見古氣候載體的時間分辨率。當前大多數古氣候載體的時間分辨率較低，無法用于重建過去天氣變化。

（圖片來源：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，我們的研究團隊（中國科學院地球環境研究所晏宏研究員團隊）發現，海洋硨磲的碳酸鹽殼體具有天生長紋層，這些紋層能夠提供天到小時級別的地球化學記錄。這一突破使得研究過去的臺風、寒潮等極端天氣事件有了可能，開辟了古天氣研究新方向。然而人類的生活主要集中在陸地，那么是否存在類似的地質生物載體，能夠記錄陸地上的極端天氣變化呢？從硨磲我們自然聯想到了同樣帶殼的蝸牛（它們都屬于軟體動物），它可能是一個潛在的陸地古天氣載體。

蝸牛，作為軟體動物門腹足綱的一員，廣泛分布于全球各類生態環境中，已有三億多年的歷史。它們對氣候變化高度敏感，且蝸牛殼體的生長速率較快。

條華蝸牛野外照片（左）和蝸牛殼的生長模式（右）

（修改自Füllenbach et al., 2014）

比如常見的條華蝸牛，其日生長速率可達200-300微米。結合現代先進的原位分析技術（空間分辨率可達到100微米），理論上研究者可以從蝸牛殼體中獲得天分辨率級別的地球化學記錄。此外，蝸牛殼體在第四紀（約260萬年前）以來的黃土沉積中也十分常見，尤其是在中國黃土高原的黃土-古土壤序列中，保存著大量完好的化石蝸牛殼體。這些蝸牛化石為我們研究過去極端天氣變化提供了極為寶貴的資料。

總結一下，蝸牛殼體因為生長速率快、在沉積地層中數量眾多且保存完好，成為了研究陸地古天氣的獨特載體。

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。(圖片來源：Wu et al., 2018)

問題5：所以，我們只需要尋找蝸牛化石就可以了嗎？

在研究中我們需要尋找兩類蝸牛：現代蝸牛和蝸牛化石。

研究現代蝸牛是為了探究地球化學記錄和氣象參數的聯系。通過對現代蝸牛的地球化學分析，我們能夠精確確定蝸牛殼體上的地球化學信號所對應的時間點，就能將這些信號與特定時段的氣象數據進行比對。比如，若發現蝸牛殼體中的某種地球化學成分與氣溫變化之間有較強的相關性，并且這一關聯能從地球化學原理上得到解釋，那么這種成分就可能成為氣溫的代用指標。這個過程被稱為“現代校準”。

至于蝸牛化石，它們的作用則是重建過去的環境變化。通過將“現代校準”得到的地球化學指標應用于化石蝸牛，我們能夠推測古代氣候/天氣和環境的狀況，從而為氣候變化的歷史提供寶貴的證據。

問題6：需要找到怎樣的蝸牛？

在進行現代蝸牛的研究時，我們通常會選擇那些正在活動、個體大小適中的蝸牛。在進行氧同位素分析時，需要建立一個準確的“時間框架”。我們要為蝸牛殼體上的氧同位素數據點確定一個日期，通常會把蝸牛采集的日期對應到蝸牛殼口的第一個數據點。這要求采集的蝸牛必須還在生長中——它們必須是活的，且處于尚未完全成熟、個體大小中等的階段。這樣，蝸牛的殼體才會反映出所需的環境信息。

而在采集化石蝸牛時，我們會把所有采到的蝸牛殼帶回實驗室進行進一步的檢查。首先需要通過掃描電鏡和/或X射線衍射等技術，來判斷這些蝸牛殼是否保存完好，是否發生了成巖蝕變。蝸牛的殼體主要由文石礦物組成，而文石是一種亞穩態礦物，容易在漫長的埋藏過程中發生變化。如果蝸牛殼體經歷了成巖蝕變，這可能會改變其原本的氧同位素信號，導致無法準確反映原始的環境條件。最終會選擇那些保存完好、沒有明顯成巖蝕變的蝸牛殼體進行進一步分析。

怎么解讀蝸牛殼里的秘密？

問題7 用什么方法可以從蝸牛身上解讀出極端天氣信息？

目前我們主要是對蝸牛的碳酸鹽殼體進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驗室，沿生長線將蝸牛殼體切開。殼頂部分用于包埋制片，即將殼頂填充環氧樹脂后粘貼于載玻片上，隨后利用牙鉆在顯微鏡下進行蝸牛殼粉末樣的鉆取，取樣間距大約為500-700μm。

對應蝸牛的生長速率，這種手動取樣的方法大致可以達到半周的時間分辨率；殼底部分會被鑲嵌至環氧樹脂靶內，用于二次離子質譜（SIMS）的分析，其中30-100μm就可以獲得一個數據點，取樣分辨率可以達到天甚至小時級別。

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譜（GSMS）的氧同位素分析；c. 將蝸牛殼底部分鑲嵌至環氧樹脂靶內，用于SIMS的氧同位素分析。（圖片來源：修改自Wang et al., 2024）

圖中紅色和綠色點線分別代表采自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具有較好的可重復性；4月25日至9月16日共145天時間，獲得δ18Os數據185個，數據的平均分辨率達到0.78天。（圖片來源：Dong et al., 2022）

問題8 蝸牛是如何“記錄”鄭州“7.20”特大暴雨的？

2021年7月20日，鄭州市遭遇了一場極為罕見的特大暴雨（“7.20”暴雨），三天內的降水量幾乎達到了當地全年降水量的總和，這一事件被氣象學界稱為“千年一遇”。然而，所謂的“千年一遇”暴雨，是基于過去不到百年的氣象觀測數據推算出來的。隨著全球氣候變暖，極端天氣的頻發及其強度也在變化，因此，鄭州這場暴雨究竟是一次“千年一遇”的偶然事件，還是氣候變化背景下的“新常態”，仍然是一個亟待解決的重要問題。

為了探究這一問題，研究團隊利用微米級的二次離子質譜（SIMS）技術，分析了鄭州滎陽地區現代條華蝸牛殼體中的氧同位素記錄，特別關注了2021年6月到9月之間蝸牛殼體中δ18O值的變化。研究發現，蝸牛殼體在這一時期發生了顯著的負偏移躍變，這一變化與暴雨的發生時間高度契合。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，而且鄭州地區夏秋季節的降水δ18O與降水量可能存在負相關關系。因此，蝸牛殼體中δ18O值的劇烈負偏移，很可能是由于“7.20”特大暴雨的降水所致。進一步的研究表明，這種變化與通過通量平衡模型預測的暴雨引發的蝸牛殼體δ18O變化幅度高度吻合，支持了這一推斷。這一發現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去氣候快速變暖時期類似“7.20”暴雨規模的極端降水事件的頻率和強度信息。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，還可以為預測未來全球變暖情境下類似暴雨事件的發生規律提供歷史相似型，從而為氣候變化的影響評估與應對措施提供更加精準的科學依據。

日分辨率蝸牛殼體氧同位素定量重建“7.20”特大暴雨。（a）SIMS測定的兩只現代蝸牛（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方向。（b）鄭州逐日降水記錄（數據來源：http://data.cma.cn/）。藍色陰影表示“7.20”特大暴雨造成了蝸牛殼體氧同位素發生劇烈負躍變（c）為（a）圖中虛線矩形部分的放大圖，為“7.20”特大暴雨導致的兩個現代蝸牛樣本實測δ18Oshell 振幅的對比。（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）和實測值（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）和實測值（黑色）的平均值及90%置信區間。（圖片來源：Wang et al., 2024）

采蝸牛路上，我們都變成了“兵馬俑”

問題9 在找蝸牛的過程中有什么趣事嗎？

那可太多了，跟大家分享兩件小事吧。

1. “盜墓風波”

采樣工作場地真有點像考古現場。每當我們在剖面中忙著挖掘、篩選化石，土層中露出的古老沉積物和化石，總是讓人忍不住聯想到遠古的遺址。

有一次，附近的村民開始圍觀，甚至有些人開玩笑說，莫非我們是在挖掘“古墓”或“寶藏”？圍觀的人越來越多，其中一位村民還擔心“非法挖掘”，便去報警了。警察很快趕到現場，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，只是采集化石蝸牛而不是在發掘古代遺物。

經過一番解釋，警察終于明白了我們的研究內容，圍觀的村民也紛紛表示理解。不過，這個誤會還是給我們帶來了一些有趣的經歷。大家都對這個科研工作產生了興趣，甚至有些村民主動提出，愿意帶我們去他們家附近的“古老遺址”看看，結果發現那些地方不過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，然后人工過篩，篩出蝸牛殼。有一次采樣時是初春，風特別大，周圍又全是剛過篩的松散黃土，一陣微風一吹，就會把黃土卷起來，瞬間給我們來一場局部的小型“沙塵暴”。所以，每天工作結束后，大家就像剛從土里刨出來的兵馬俑，渾身上下都成了“土”色。

這種細小的黃土粒子，吸附性非常好，簡直像是天生的“黏土”，無論我們怎么洗，怎么擦，都很難把它們徹底去除。就算洗完澡之后，用毛巾擦臉，毛巾也會變成“土黃”色。更令人驚訝的是，野外工作結束后，我們有隊員一周后依然感覺臉上的皮膚悶悶的，像是透不過氣。去專業機構檢查后才發現，臉上的毛孔里，竟然還殘留著黃土！

分析采樣的黃土粒度（這種粒度通常用來反映冬季風的強度）后，我們發現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，每個毛孔里可以輕松“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小的土粒。這也是一個意外的發現——原來，黃土的細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“地質研究”的一部分！

問題10 這種方法可以推廣到黃土高原之外嗎？

當然可以。如果可以在黃土高原之外，找到具有保存完好蝸牛化石的沉積地層，也可以開展相關工作。

問題11 未來，蝸牛還能帶來更多的天氣信息么？

我們未來的研究計劃主要包括兩個方面。

首先，我們將繼續深入研究黃土中化石蝸牛的氧同位素，以重建地質歷史中不同氣候背景下極端降水的頻率和強度，幫助預測全球變暖背景下未來極端降水事件的趨勢，并評估現有氣候模型在模擬極端天氣方面的準確性。其次，我們計劃開發新的蝸牛古天氣代用指標，進一步拓展研究領域。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。

通過這些研究，我們希望能夠更好地理解過去的氣候變化，為未來極端天氣事件的預測提供科學依據。

左上圖為中國黃土高原的黃土-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所挖的黃土探坑，我們將每10cm厚的黃土進行一次過篩，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量統計結果。

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作者：王國楨

作者單位：中國科學院地球環境研究所

（除注明來源者外，本文圖片均由作者提供）