要想监测气候变化，请选择企鹅
南极企鹅考古记 孙立广 谢周清（中国科技大学极地环境研究室） （南方周末，2001-05-28）
有了打开“历史时期南极企鹅生命大门”的钥匙，科学家们将在南极生态环境的历史隧道中自由地穿行，那些掩盖往事的烟云将被排除，到时候，人类将会听到更多、更美、更古老的有关企鹅、海豹、贼鸥的生命故事。值得骄傲的是，这柄打开大门的钥匙是由中国人打造的。 “在南极雪山上行走，我们悟出了一个道理：沿着前人的脚印走要轻松些，但永远走不出自己的脚印。” 编者按：有关南极企鹅的“考古”研究是我国科学家在极地领域内所做出的一项独创性工作。权威的《自然》杂志对这一新颖的生物地球化学方法给予了肯定评价。在《2001科学发展报告》中，它亦被列为代表性工作之一。中国科大的研究人员是怎样在南极走出自己的脚印的呢？本报特邀孙立广教授和谢周清博士讲述这一带有戏剧性的发现故事。
关注企鹅的生存状态 看到憨态可掬的企鹅，人们自然而然地会想到南极。企鹅是南极最主要动物种群之一，占南极鸟类生物量的90％以上。人类对南极的认识只有200多年，对南极鸟类的考察和研究最早可追溯到十九世纪中叶。 1998年12月，在南极的夏天，我们有幸作为科考队员，从科学和美学的角度欣赏了庞大的企鹅家族井然有序的生活方式。阿德雷岛的东岸是企鹅家族的乐园。企鹅对家园的这种选择是十分合理的：它面对辽阔的麦克斯韦尔海湾，那里有丰富的磷虾食料；它背靠陡峻的悬崖，没有被侵袭的后顾之忧，又可阻挡由西岸吹来的强劲暴风。尤其有特色的是高低错落、山岩嶙峋的丘陵状地貌，这是抵御海豹的天然屏障。 南极的生态圈是一个由食物链维系着的充满杀机的世界，但是正是生存竞争维护了自然界的和谐。遗憾的是，人类的活动正在改变这种和谐。因为南极是一个开放的体系，污染物通过大气和海洋的流体系统和食物链传输进入南极，人类对鲸鱼、海豹、磷虾的捕猎活动使极地生态系统受到破坏。它们将在多大程度上影响企鹅的生存状态呢？ 从1957年的国际地球物理年开始，一些国家在南极无冰区建立考察站对企鹅进行监测，了解企鹅在南极生态系统中的作用及人类对鸟类活动的影响。由于实际监测时间有限，仅仅根据几十年的数据难以给出符合实际的结论，因为人类的活动增添了自然过程中的不确定因素。
太有诱惑力的问题 要准确回答这些问题，就必须了解过去几百年、几千年即在人类未曾干预的情况下，南极企鹅的生活历史及当时的气候状态。显然，要了解历史时期企鹅的生命故事是一件十分困难的事。 主要的困难在于企鹅不会建筑金字塔，也不可能留下秦砖汉瓦，它们活动留下的遗迹或遗物太少且不容易辨认。另一方面，我们又不能像古生物学家那样去挖掘企鹅化石，首先企鹅骨骼保存困难，而且化石的地质年代是以百万年、千万年为单位来定量的，这对于考证企鹅数量数千年来随时间的变化实在是英雄无用武之地。 然而，探索企鹅的历史实在是太有诱惑力了。生态学家们在这方面进行了不懈的努力，有的学者从废弃的企鹅巢穴中寻找残存的骨片，然后对骨骼进行碳14定年，根据测定结果确定历史时期某地是否有企鹅生活。这实际上是移植了人类学考古方法，但是这样的结果只能粗略地回答“有”或“无”的问题，没有办法解决企鹅的演变历史及其与环境变化的关系。另外一些学者根据单位泥土层中所含有的海豹毛数量，推测近200年来海豹数量的变化及其与人类捕杀海豹的关系，这种有趣的方法十分奇妙，虽然存在不确定性，但也说明了南极生物考古的艰难和无奈。 机遇点燃了发现的引信 在南极雪山上行走，我们悟出了一个道理：沿着前人的脚印走要轻松些，但永远走不出自己的脚印。 在科学研究中，拟定的原始设计都很完美，一般是种豆得豆、种瓜得瓜，但实际中有时却是撒出一把豆种，却得到了瓜，有时却是种瓜得豆，那是因为种子中很可能混入“异类”。只有“异常”才是创新的出发点，只有从异常中得到灵感，才有可能去点燃“发现”的引信。 在第15次南极科考中，在众多的研究内容中，有一个重要的科学问题：我们想探寻工业革命200年来，人类活动所造成的污染在多大程度上影响了企鹅有机体中的物质组成。当时考虑最可能的解决途径是从堆积起来的企鹅粪的历史变化中去寻找答案，我们期待从企鹅粪中做出有分量的文章。 设想看是天衣无缝，然而在南极阿德雷岛的三个月中，我们已感到自己是纸上谈兵了。企鹅将巢穴筑在海滨、丘陵的乱石上，风雨和冰雪融水会将粪便冲洗掉，找不到200年的粪土堆积层，原来的设想只能泡汤了。 在归期临近的风雪雨雾中，我们在企鹅岛上寻寻觅觅，很偶然地发现了一个临海湾的小湖，从地质学的角度判断，这个小湖中有可能存在古泻湖沉积，泻湖是一种可以在高潮时倒灌进海水的湖。在其旁侧的高地湖沼中有大量企鹅生活，也许可以一箭双雕吧，不过当时的目标确实是企图在淡水湖中找到一个古泻湖的沉积，这将是在该地区的首次发现。正是在这里“种豆”，我们既得了“豆”，又得了“瓜”。 长城站的科考队员们都动员起来了，分别在两个小湖中打捞上来４管泥芯，工程完毕，离返回只剩下３天。
“这简直是不可思议” 室内的分析研究工作开始了，对采自海拔12米高的湖泊中的一段67.5厘米深的泥芯按１厘米间隔在洁净室中分样，对每个样品进行26种元素的定量分析，又进行精确的碳14定年。我们确定这是一段大约“3000岁”的泥芯。元素浓度随深度变化的结果显示出来了，有几点出乎我们的意料：首先，锶、氟、磷等９种元素显著相关，随深度呈几乎同步的变化；另一方面，这9种元素浓度均比在非企鹅聚集区冰缘沉积物中的浓度高得多，氟高出了近30倍，磷的含量很高，局部达到15％；海拔12米高的湖泊沉积物中的元素锶和钡浓度的比值竟然也表现出海洋沉积物的特征。这简直是不可思议。带有国际标样的测试是准确可靠的，那么这种异常就有其必然的原因，是什么因素将这些元素富集起来了呢？由于磷的富集使我们想到了企鹅的粪便，高氟使我们想到了作为企鹅食料的磷虾，磷虾中有奇高的氟含量。注意到该岛是企鹅生态特别保护区，一种明确的思路形成了：企鹅作为载体将海洋食物中的元素转移到粪便中，进而进入沉积土层中。更进一步的有机质同位素数据、企鹅粪和苔草的元素特征也表明，企鹅粪是沉积物的主要来源。第一个结论可以确定了：锶、氟、硫、磷、硒、钡、钙、铜、锌是企鹅粪土层中的标型元素组合。 来自熊猫、东北虎的启示 生态学家可以根据熊猫、东北虎粪便探讨其存在的痕迹，根据粪便在单位面积上的数量可推测出种群的数量，这种方法给了我们启示。我们虽然无法确定企鹅的多少，但是完全可以根据企鹅粪标型元素的浓度来确定含粪量的相对变化，进而推定企鹅种群数量的相对变化。我们从而得出了历史上企鹅种群数量的波动过程：在过去大约3000年中，在人类未曾干预的情况下，企鹅种群数量发生过４次显著的波动，其中距今1400—1800年数量达到极大值；距今1800—2300年间企鹅数量锐减。 这种波动显然排除了现代人类文明的影响。与气候变化进行对比发现：企鹅数量的锐减是与新冰期吻合的，企鹅数量的高峰与气候变暖相联系，然而温度最高的时期，企鹅数量又出现下降趋势，因此，温度过高或过低均不利于企鹅的繁衍。探讨气候冷暖的变化对企鹅数量波动的影响，就成为一个新的课题。 南极舞台上的重要演员 气候变暖被认为影响到企鹅的生存，但气候过冷也对企鹅构成了严重威胁。企鹅的生存与气候变化有密切关系，因此，企鹅的演变应是过去全球气候变化研究，特别是近一万年来气候变化的重要研究方向。 南极是全球气候变化的一个十分敏感的“预警系统”，卫星航拍表明气候变暖使得南极冰盖正在退缩。如果这种趋势继续下去，将来有一天世界很多沿海城市会成为“失落的文明”。在担心的同时，我们不禁要问：南极目前的冰川演变是人类干预的结果，还是自然演化的过程？企鹅的演变也许能告诉我们至少１万年来的南极沿海冰川进退的历史以及与气候变化的关系。 还有，深入研究历史时期企鹅的演变有可能揭示历史时期磷虾某些方面的演变过程，为保护现有的磷虾资源和将来更好的开发提供借鉴。 探寻企鹅历史的足迹，还仅仅是开始。
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