大约5600万年前，大气中二氧化碳（CO₂）浓度的急剧上升，引发了一场严重的全球变暖，并改变了地球表面的生态面貌。这一事件，被称为古新世—始新世极热事件（PETM）。
在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一个研究团队首次通过分析植物化石中的叶角质层，研究了PETM的树冠结构。他们的研究揭示，在这一时期，美国怀俄明州的森林失去了约60%的冠层覆盖，而这些森林花费了超过10万年的时间才恢复。
回到5600万年前
目前，人类正在以超过任何已知自然过程的速度向大气中释放二氧化碳。如果想知道快速向大气中释放二氧化碳会如何影响未来的森林生态系统，就必须回望遥远的过去。
PETM是地球史上最显著的气候剧变事件之一，是地球历史上与今天全球变暖最接近的天然类比事件。它导致全球平均温度升高了约5–9℃，并改变了地球气候状态超过15万年。研究这一时期，将有助于人类在地球再次跨越类似临界点之前，提前识别这些危险信号。
通常，古植物学家会通过植物化石来确定过去某个地区曾经生活过哪些植物物种。但在这项研究中，研究人员想回答一个更困难的问题：当时的古森林本身是什么样子的？它又是如何变化的？
森林的结构——尤其是林冠层——决定了：
到达森林地面的光照量；
森林内部温度；
水分环境；
森林能够储存的碳量。
因此，森林结构是衡量生态系统功能最重要、最清晰的指标之一。
但是，要如何重建一个5600万年前的森林呢？
从叶片重建一座森林
在这项研究中，研究人员首次利用PETM时期保存下来的叶角质层化石重建叶面积指数（LAI），并结合沉积物、孢粉及其他地质证据，重新描绘了当时森林结构和生态环境的变化。
叶面积指数衡量的是天空中有多少比例被叶片覆盖，生态学家会利用这一概念来测量林冠层密度。具有多层叶片结构、能够大量截获阳光的茂密森林，具有较高的叶面积指数；而那些允许更多光线到达森林地面的开放森林，则具有较低的叶面积指数。
左侧图像展示了地面上的生物仰望天空时，可能看到的不同程度的林冠层覆盖。每个示例都与右侧相应的化石角质层细胞形态对应。冠层越开放，细胞形状就越圆。
远古时期的怀俄明州森林中，生长着巨大的水杉树，它们高耸于悬铃木、桤木、棕榈以及其他亚热带和热带植物之上。因此，研究团队分析了怀俄明州汉纳盆地（Hanna Basin）沉积岩芯中叶片细胞化石的形状。由于植物会在生长过程中向光伸展，这些细胞的形态可以用来判断，林冠层中有多少部分处于阴影之下，又有多少部分暴露在阳光中。
两组放大的叶角质层细胞：左侧为现代新鲜叶片，右侧为化石叶片。对比可见，上方样本中的细胞更加细长，对应更高的冠层覆盖度；下方样本中的细胞则更加圆润，表明叶片接受了更多阳光照射。
利用这些叶片化石，研究人员估算了在整个PETM期间，随着二氧化碳浓度升高和温度变化，怀俄明研究地点的林冠层是如何变化的。他们发现，在PETM开始时，林冠层覆盖度曾短暂增加；但在接下来的几千年里，叶面积指数急剧下降了61%。此后，林冠层覆盖度长期维持在比此前低约35%的水平，并持续了数万年，直到PETM结束。
这种变化模式表明，最初的一波二氧化碳增加曾促进了森林生长。但随后，过多的二氧化碳会把温度推高到超过植物正常生理功能所能承受的范围，高温度带来的负面影响超过了二氧化碳增加带来的生长促进作用。
当再次跨过临界点
这项研究结果与近期来自北半球其他地点的证据相吻合。这些证据表明，PETM可能导致了中纬度和高纬度地区森林覆盖度的大规模下降。
这些远古森林发生的变化，与科学家今天观察到的现象存在相似之处。自20世纪80年代以来，科学家通过卫星观测全球现代叶面积指数。这些现代数据呈现出的趋势，与研究人员重建的PETM时期森林变化故事形成了呼应。
此外，研究人员发现，PETM时期的一个显著特征，是地球陆地景观出现了广泛的“褐化”。值得注意的是，卫星数据显示，大约从2000年以来，全球整体也呈现出一种“褐化”趋势。他们认为，持续的气候变暖可能会推动地球森林走向类似PETM时期出现的大范围褐化状态。
不过，PETM并不是今天气候变化的完美类比。与当时相比，人类如今释放二氧化碳的速度大约快了10倍。此外，当时的生态系统也没有同时面对其他人为压力，例如森林砍伐。这些综合压力可能导致比PETM时期更加严重的碳释放和生态系统退化。因此，保护和恢复森林不仅对于维护生物多样性至关重要，也是保护地球应对加速气候变化的重要天然防线。
#参考来源：
https://tarpits.org/press/paleontologists-reconstruct-forests-56-million-years-ago-chilling-parallels-our-warming
https://www.nature.com/articles/d41586-026-02544-y
https://theconversation.com/ancient-forests-took-100-000-years-to-recover-from-the-last-global-warming-period-similar-to-today-wyoming-fossils-reveal-what-happened-289462
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