先来看几张图片:
向上滑动查看图片
不要误会，这不是一支考古小分队，这些人正在黄土高原上寻找一种常见生物——蜗牛。
他们想从蜗牛身上找到什么？
新研究告诉我们，蜗牛壳里居然藏着极端天气的证据：
大院er找到了一个“采”蜗牛的人，请他回答了一些关于“蜗牛与天气”的疑问。
天气信息，不止记录在气象站里
问题1 为什么要去采蜗牛呢？
蜗牛是一种气候载体。蜗牛壳体的地球化学组成的变化可以反映气候环境的信息。因此，通过分析和研究地层中埋藏的化石蜗牛，就可以获得过去气候变化的信息。
问题2 既然是“过去的气候变化”，为什么今天还要研究？
现代气象数据来源于气象台站、卫星观测等手段，这些数据为我们理解气候系统提供了重要基础。然而，人类系统性地、高质量地记录气象变化的历史最多不过一百多年。仅凭这一百多年的气象观测资料，我们很难完全理解地球气候和天气的运作模式，更难以准确预测未来的气候变化。
举个例子，过去一百多年间，全球平均气温上升了约1.2℃。但这1.2℃的升温情景，实际上是我们所掌握的气候变化的全部观测数据。基于这一有限的观测数据，若要预测未来3-5℃的升温情景下的气候和天气，显然会带来较大的不确定性。
古气候资料能够大大延长我们对气候变化的观测历史。自19世纪以来，地质学家们便开始从地质和生物载体中提取气候变化的相关信息，并发展出了多种可以用来重建过去气候变化的古气候载体，例如，通过分析黄土沉积的磁化率和粒度，我们可以重建过去东亚地区夏季风和冬季风的强度变化；利用深海沉积物中有孔虫的壳体元素比值，我们能反映海洋表面温度的变化等。
依托这些古气候载体和气候模型的结合，科学家们成功地重建了过去数亿年的气候变化框架，极大地丰富了人们对地球气候历史的理解。最近的一项研究便成功地重建了过去4.85亿年来的全球平均表面温度变化。
过去4.85亿年间的全球平均表面温度变化如图所示。灰色阴影对应不同的置信水平，黑线显示均值。顶部的彩色带反映了气候状态，较冷的颜色表示“冰室”气候，较暖的颜色表示“温室”气候，灰色表示过渡状态。发现地球目前的平均表面温度大约为15℃，这要比显生宙的大部分时间都要低（5亿多年以来）。我们的星球也曾经有过比现在平均高20℃的时期，但是那时地球上还没有人（或者没有这么多人），这也是我们现在要关注全球变暖的重要原因。
（图片来源：Judd et al., 2024）
为什么选择了蜗牛？
问题3 研究新闻中提到“蜗牛能够反映极端降水的趋势”，为什么我们要关注“趋势”，有天气预报还不行吗？
天气预报主要聚焦于短期的气象变化，通常涵盖几天到几周的时间范围，帮助人们做出日常生活的决策。然而，古气候和古天气研究则更加关注长期的气候和天气变化趋势，时间尺度往往是几十年、几百年甚至几千年。通过掌握长期的极端天气变化趋势，我们可以揭示这些极端事件与气候系统之间的相互关系，以及它们如何在不同的气候背景下发生变化。
举个例子，长期极端降水趋势的研究结果能展示在不同气候条件下，降水的频率和强度会如何波动。通过分析过去的气候变化模式，尤其是与当前气候变暖相似的历史时期，人们能够预测未来极端降水事件的发生趋势和变化。这为预测和应对未来可能发生的极端天气事件提供了宝贵的参考。
此外，长期趋势的研究对基础设施建设和灾害防范也至关重要。例如，如果发现某个地区在气候变暖的背景下出现了降水模式的显著变化，那么这一信息将有助于指导该地区的水利设施设计、洪水防控措施以及应急预案的制定。
问题4 这个研究里为什么选择了蜗牛？上文提到的那些古气候载体不行么？
尽管已经能够描绘出过去数亿年气候变化的大致框架，发现过往的大暖期和快速增温的时期，但人们对温暖背景下极端天气特征的了解依然非常有限。换句话说，对全球变暖之后天气系统可能发生的变化，诸如台风、暴雨、热浪等极端天气事件的发生频率与强度变化，人类几乎没有可靠的认识。
原因在于，目前古气候资料的时间分辨率较低，大多只能达到百年到千年的层级。即便是分辨率较高的载体，如树轮和珊瑚，它们的时间分辨率也仅能达到年到月级别。也就是说，这些资料提供的通常是几百年到几个月的气候平均信息，无法揭示极端天气事件发生的短期变化，尤其是以天、甚至小时为单位的天气波动。
常见古气候载体的时间分辨率。当前大多数古气候载体的时间分辨率较低，无法用于重建过去天气变化。
（图片来源：修改自Yan et al., 2020）
所以，我们需要寻找更灵敏的古气候载体。
在之前的研究里，我们的研究团队（中国科学院地球环境研究所晏宏研究员团队）发现，海洋砗磲的碳酸盐壳体具有天生长纹层，这些纹层能够提供天到小时级别的地球化学记录。这一突破使得研究过去的台风、寒潮等极端天气事件有了可能，开辟了古天气研究新方向。然而人类的生活主要集中在陆地，那么是否存在类似的地质生物载体，能够记录陆地上的极端天气变化呢？从砗磲我们自然联想到了同样带壳的蜗牛（它们都属于软体动物），它可能是一个潜在的陆地古天气载体。
蜗牛，作为软体动物门腹足纲的一员，广泛分布于全球各类生态环境中，已有三亿多年的历史。它们对气候变化高度敏感，且蜗牛壳体的生长速率较快。
条华蜗牛野外照片（左）和蜗牛壳的生长模式（右）
（修改自Füllenbach et al., 2014）
比如常见的条华蜗牛，其日生长速率可达200-300微米。结合现代先进的原位分析技术（空间分辨率可达到100微米），理论上研究者可以从蜗牛壳体中获得天分辨率级别的地球化学记录。此外，蜗牛壳体在第四纪（约260万年前）以来的黄土沉积中也十分常见，尤其是在中国黄土高原的黄土-古土壤序列中，保存着大量完好的化石蜗牛壳体。这些蜗牛化石为我们研究过去极端天气变化提供了极为宝贵的资料。
总结一下，蜗牛壳体因为生长速率快、在沉积地层中数量众多且保存完好，成为了研究陆地古天气的独特载体。
黄土地层中不同种属的化石蜗牛壳体照片。其中的白色短线代表1mm。(图片来源：Wu et al., 2018)
问题5：所以，我们只需要寻找蜗牛化石就可以了吗？
在研究中我们需要寻找两类蜗牛：现代蜗牛和蜗牛化石。
研究现代蜗牛是为了探究地球化学记录和气象参数的联系。通过对现代蜗牛的地球化学分析，我们能够精确确定蜗牛壳体上的地球化学信号所对应的时间点，就能将这些信号与特定时段的气象数据进行比对。比如，若发现蜗牛壳体中的某种地球化学成分与气温变化之间有较强的相关性，并且这一关联能从地球化学原理上得到解释，那么这种成分就可能成为气温的代用指标。这个过程被称为“现代校准”。
至于蜗牛化石，它们的作用则是重建过去的环境变化。通过将“现代校准”得到的地球化学指标应用于化石蜗牛，我们能够推测古代气候/天气和环境的状况，从而为气候变化的历史提供宝贵的证据。
问题6：需要找到怎样的蜗牛？
在进行现代蜗牛的研究时，我们通常会选择那些正在活动、个体大小适中的蜗牛。在进行氧同位素分析时，需要建立一个准确的“时间框架”。我们要为蜗牛壳体上的氧同位素数据点确定一个日期，通常会把蜗牛采集的日期对应到蜗牛壳口的第一个数据点。这要求采集的蜗牛必须还在生长中——它们必须是活的，且处于尚未完全成熟、个体大小中等的阶段。这样，蜗牛的壳体才会反映出所需的环境信息。
而在采集化石蜗牛时，我们会把所有采到的蜗牛壳带回实验室进行进一步的检查。首先需要通过扫描电镜和/或X射线衍射等技术，来判断这些蜗牛壳是否保存完好，是否发生了成岩蚀变。蜗牛的壳体主要由文石矿物组成，而文石是一种亚稳态矿物，容易在漫长的埋藏过程中发生变化。如果蜗牛壳体经历了成岩蚀变，这可能会改变其原本的氧同位素信号，导致无法准确反映原始的环境条件。最终会选择那些保存完好、没有明显成岩蚀变的蜗牛壳体进行进一步分析。
怎么解读蜗牛壳里的秘密？
问题7 用什么方法可以从蜗牛身上解读出极端天气信息？
目前我们主要是对蜗牛的碳酸盐壳体进行高分辨率的氧同位素分析，在蜗牛壳体氧同位素组成的变化中提取极端天气信息。
我们将蜗牛壳体带回实验室，沿生长线将蜗牛壳体切开。壳顶部分用于包埋制片，即将壳顶填充环氧树脂后粘贴于载玻片上，随后利用牙钻在显微镜下进行蜗牛壳粉末样的钻取，取样间距大约为500-700μm。
对应蜗牛的生长速率，这种手动取样的方法大致可以达到半周的时间分辨率；壳底部分会被镶嵌至环氧树脂靶内，用于二次离子质谱（SIMS）的分析，其中30-100μm就可以获得一个数据点，取样分辨率可以达到天甚至小时级别。
a. 蜗牛壳体取样分析流程图；b. 蜗牛壳顶部分的包埋制片，钻取的粉末样用于气相质谱（GSMS）的氧同位素分析；c. 将蜗牛壳底部分镶嵌至环氧树脂靶内，用于SIMS的氧同位素分析。（图片来源：修改自Wang et al., 2024）
图中红色和绿色点线分别代表采自2020年9月16日和4月25日的两只蜗牛壳体的超高分辨率氧同位素（δ18Os）记录。4月25日之前的两个蜗牛壳体δ18Os序列较为一致，表明不同壳体之间δ18Os具有较好的可重复性；4月25日至9月16日共145天时间，获得δ18Os数据185个，数据的平均分辨率达到0.78天。（图片来源：Dong et al., 2022）
问题8 蜗牛是如何“记录”郑州“7.20”特大暴雨的？
2021年7月20日，郑州市遭遇了一场极为罕见的特大暴雨（“7.20”暴雨），三天内的降水量几乎达到了当地全年降水量的总和，这一事件被气象学界称为“千年一遇”。然而，所谓的“千年一遇”暴雨，是基于过去不到百年的气象观测数据推算出来的。随着全球气候变暖，极端天气的频发及其强度也在变化，因此，郑州这场暴雨究竟是一次“千年一遇”的偶然事件，还是气候变化背景下的“新常态”，仍然是一个亟待解决的重要问题。
为了探究这一问题，研究团队利用微米级的二次离子质谱（SIMS）技术，分析了郑州荥阳地区现代条华蜗牛壳体中的氧同位素记录，特别关注了2021年6月到9月之间蜗牛壳体中δ18O值的变化。研究发现，蜗牛壳体在这一时期发生了显著的负偏移跃变，这一变化与暴雨的发生时间高度契合。此前的研究表明，蜗牛壳体中的δ18O值与降水的δ18O组成密切相关，而且郑州地区夏秋季节的降水δ18O与降水量可能存在负相关关系。因此，蜗牛壳体中δ18O值的剧烈负偏移，很可能是由于“7.20”特大暴雨的降水所致。进一步的研究表明，这种变化与通过通量平衡模型预测的暴雨引发的蜗牛壳体δ18O变化幅度高度吻合，支持了这一推断。这一发现展示了蜗牛壳体的氧同位素记录在定量重建天气尺度的极端降水事件中的潜力，为连接气象记录与地质资料提供了新的视角。
如果将这一研究方法拓展到化石蜗牛中，我们可能能够获得过去气候快速变暖时期类似“7.20”暴雨规模的极端降水事件的频率和强度信息。这些信息不仅有助于我们更好地理解极端天气事件在历史上的表现，还可以为预测未来全球变暖情境下类似暴雨事件的发生规律提供历史相似型，从而为气候变化的影响评估与应对措施提供更加精准的科学依据。
日分辨率蜗牛壳体氧同位素定量重建“7.20”特大暴雨。（a）SIMS测定的两只现代蜗牛（样本0918-1和1218-1）的日分辨率壳体氧同位素记录。黑色箭头代表壳体生长方向。（b）郑州逐日降水记录（数据来源：http://data.cma.cn/）。蓝色阴影表示“7.20”特大暴雨造成了蜗牛壳体氧同位素发生剧烈负跃变（c）为（a）图中虚线矩形部分的放大图，为“7.20”特大暴雨导致的两个现代蜗牛样本实测δ18Oshell 振幅的对比。（d）“7.20”特大暴雨造成的蜗牛壳体氧同位素振幅的理论值（红色）和实测值（黑色）的概率密度分布。（e）“7.20”暴雨引起蜗牛壳体氧同位素理论值（红色）和实测值（黑色）的平均值及90%置信区间。（图片来源：Wang et al., 2024）
采蜗牛路上，我们都变成了“兵马俑”
问题9 在找蜗牛的过程中有什么趣事吗？
那可太多了，跟大家分享两件小事吧。
1. “盗墓风波”
采样工作场地真有点像考古现场。每当我们在剖面中忙着挖掘、筛选化石，土层中露出的古老沉积物和化石，总是让人忍不住联想到远古的遗址。
有一次，附近的村民开始围观，甚至有些人开玩笑说，莫非我们是在挖掘“古墓”或“宝藏”？围观的人越来越多，其中一位村民还担心“非法挖掘”，便去报警了。警察很快赶到现场，我们只得停下手中的工作，耐心地向他们解释我们的科研任务，只是采集化石蜗牛而不是在发掘古代遗物。
经过一番解释，警察终于明白了我们的研究内容，围观的村民也纷纷表示理解。不过，这个误会还是给我们带来了一些有趣的经历。大家都对这个科研工作产生了兴趣，甚至有些村民主动提出，愿意带我们去他们家附近的“古老遗址”看看，结果发现那些地方不过是些普通的洞穴而已。
2. 洗不干净的脸
为了采集化石蜗牛，我们需要挖掘探坑，每次将10cm深的黄土挖出，然后人工过筛，筛出蜗牛壳。有一次采样时是初春，风特别大，周围又全是刚过筛的松散黄土，一阵微风一吹，就会把黄土卷起来，瞬间给我们来一场局部的小型“沙尘暴”。所以，每天工作结束后，大家就像刚从土里刨出来的兵马俑，浑身上下都成了“土”色。
这种细小的黄土粒子，吸附性非常好，简直像是天生的“黏土”，无论我们怎么洗，怎么擦，都很难把它们彻底去除。就算洗完澡之后，用毛巾擦脸，毛巾也会变成“土黄”色。更令人惊讶的是，野外工作结束后，我们有队员一周后依然感觉脸上的皮肤闷闷的，像是透不过气。去专业机构检查后才发现，脸上的毛孔里，竟然还残留着黄土！
分析采样的黄土粒度（这种粒度通常用来反映冬季风的强度）后，我们发现这些土粒的大小大约在30-50微米，而人的毛孔大小通常在100-300微米之间。换句话说，每个毛孔里可以轻松“容纳”三五粒土，所以即便精心清洁，还是难以彻底清除这些细小的土粒。这也是一个意外的发现——原来，黄土的细微粒子不仅能证明气候变化，还能潜藏在我们的皮肤上，成为“地质研究”的一部分！
问题10 这种方法可以推广到黄土高原之外吗？
当然可以。如果可以在黄土高原之外，找到具有保存完好蜗牛化石的沉积地层，也可以开展相关工作。
问题11 未来，蜗牛还能带来更多的天气信息么？
我们未来的研究计划主要包括两个方面。
首先，我们将继续深入研究黄土中化石蜗牛的氧同位素，以重建地质历史中不同气候背景下极端降水的频率和强度，帮助预测全球变暖背景下未来极端降水事件的趋势，并评估现有气候模型在模拟极端天气方面的准确性。其次，我们计划开发新的蜗牛古天气代用指标，进一步拓展研究领域。我们将探索蜗牛壳体中更多的气候信息，如温度和湿度变化等，为更精确的古天气重建提供新的工具。
通过这些研究，我们希望能够更好地理解过去的气候变化，为未来极端天气事件的预测提供科学依据。
左上图为中国黄土高原的黄土-古土壤沉积序列照片，其中黄土呈沉积灰黄色，古土壤沉积呈红褐色，二者互层。右上图是从黄土-古土壤沉积序列中采集到的化石蜗牛样本。左下图为采集化石蜗牛时所挖的黄土探坑，我们将每10cm厚的黄土进行一次过筛，筛选出其中的化石蜗牛。右下图为左图探坑中所采集化石蜗牛数量统计结果。
参考文献：
[1] Dong J, Yan H, Zong X, et al. Ultra-high resolution δ18O of land snail shell: A potential tool to reconstruct frequency and intensity of paleoprecipitation events. Geochim. Cosmochim. Acta, 2022; 327: 21-33.
[2] Füllenbach, C. S., Schöne, B. R., & Branscheid, R. (2014). Microstructures in shells of the freshwater gastropod Viviparus viviparus: a potential sensor for temperature change?. Acta biomaterialia, 2014, 10(9), 3911-3921.
[3] Judd E J, Tierney J E, Lunt D J, et al. A 485-million-year history of Earth’s surface temperature[J]. Science, 2024, 385(6715): eadk3705.
[4] Wang G, Dong J, Han T, et al. Quantitative reconstruction of a single super rainstorm using daily resolved δ18O of land snail shells. Science Bulletin, 2024.
[5] Wu, N., Li, F., & Rousseau, D. D. (2018). Terrestrial mollusk records from Chinese loess sequences and changes in the East Asian monsoonal environment. Journal of Asian Earth Sciences, 2018, 155, 35-48.
[6] Yan H, Liu C, An Z, et al. Extreme weather events recorded by daily to hourly resolution biogeochemical proxies of marine giant clam shells. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2020; 117: 201916784.
[7] Zong X, Dong J, Song Y. et al. Precipitation δ18O paced the seasonal δ18O variations of terrestrial snail body water and shells in the East Asian Monsoon region. Quat. Sci. Rev. 2023; 317: 108290.
作者：王国桢
作者单位：中国科学院地球环境研究所
（除注明来源者外，本文图片均由作者提供）
热门跟贴