透过远古“千年窗口”，遥看未来气候变化

来啦，老弟！欢迎你登上“穿越“号巴士~！前往Clarkia古湖。

乍一看你是不是以为我会带你到新近纪的湖边走一走，顺便与灭绝的大型哺乳动物在远古森林里来场浪漫的邂逅？

骚瑞，这个真没有~ 不仅如此，你甚至连湖水都看不到！

等等，别着急跳车！

我们从湖床沉积物里发现了一些“不为人知”的秘密！往后看，这波绝对不亏！

快系好安全带！老司机带你探秘千万年前的湖泊沉积物~

欢迎大家来到美国西北地区的爱达荷州北部克拉基亚（Clarkia）小镇。此时天色已晚，夜幕下看看时间显示器，正是1972年。

咦？前方有位老人。他看起来好兴奋！只见他一个劲儿地向人们展示着他身后那堆破碎的岩石：“看哪，朋友们！这可是伟大的发现！”原来，这位名叫弗朗西斯的老人在这里开山建造摩托赛道时，发现了一些保存完好，并呈现出植物原始色彩的阔叶化石。这是他一生中从未见过的树叶，仰望周围满眼的针叶林，直觉告诉他这是一个意外的宝藏。没错。这就是大名鼎鼎的Clarkia化石库！

1975年，爱达荷大学古植物学家Charles Smiley 对Clarkia化石库进行了首次报道，一时间引得众多生物化学家、分子生物学家、古地磁学家、古年代学家和古气候学家们纷至沓来。人们在惊叹这些古代“珍品”的精美的同时，对它们形成的原因和时间也产生了浓厚的兴趣。

人们使用了各种分析手段将其细细研究。从纤维素到蛋白质，再到DNA，一系列从植物化石叶中提取出来的古代生物大分子向人们展示着Clarkia化石库的“超常”保存状态；多聚酶链式反应（PCR）、高分辨液相色谱（HPLC）、单体分子同位素等高端新技术研究方法也都被首次应用于化石材料研究……长达数十年的探索，终于让人们慢慢摸清了Clarkia化石库形成的来龙去脉。

这一切还要从中新世的哥伦比亚河玄武岩群的火山活动说起。距今15-16百万年左右，一次火山喷发而产生的熔岩流堵塞了当今的圣玛丽河的前身，在一条狭窄的山谷中形成了堰塞湖，这便是Clarkia 古湖。与此同时，形成哥伦比亚玄武岩的火山喷发向大气中释放了大量的温室气体。（对，就是目前公认导致全球变暖的“罪魁祸首”二氧化碳（CO₂）！）因此许多科学家认为，这次火山喷发释放的二氧化碳也是造成中新世全球增温的主要驱动力，而保存精美的Clarkia化石库就成为了这一远古事件的“亲历者”和难得的信息载体。

于是，窄而深的湖泊、低温分层的湖水、底部缺氧的环境以及周边丰富的植物群落，造就了这一世界闻名的化石圣地。

美国爱达荷州Clarkia产地（Höfig et al. 2021, Figure 1）

早期针对该产地古植物学的研究只能推测Clarkia古湖是中新世早期至中新世中期的产物，然而其形成时间与其延续时间究竟为几何？日前已成为联系化石和气候事件的重要科学问题。2018年，来自美国布莱恩特大学（Bryant University）的杨洪教授、冷琴教授联合德克萨斯A&M大学（Texas A&M University）的张一歌教授，共同主持美国自然科学基金项目，该科研团队以经典的P-33化石产地为研究对象，尝试解决这个难题。

A：Clakia P-33化石产地，背景是Clarkia北温带的针叶林；B：明显的层状沉积；C：大量层叠的阔叶植物化石。

在参与本项研究的过程中，我们从火山灰夹层中获得了明确的U-Pb（铀-铅）锆石年龄，其测年结果为15.78 ± 0.039百万年，这证实了早期的古植物学年代推测：Clarkia古湖确实存在于中中新世中，处于哥伦比亚玄武岩一百万年火山活动周期的中晚期。

从火山灰中测得的U-Pb锆石年龄（Höfig et al. 2021, Figure 2）

同时基于元素比例、矿物组合、晶粒大小结构以及有机物和化石含量的分布，我们借助大洋钻探中发展起来的显微X射线荧光（μ-XRF）、岩相和光谱分析等技术，建立了整个地层剖面的层位年度特征，揭示了Clarkia 古湖在短短千年内的演化历史。

沉积层内各元素分布的光谱分析图（Höfig et al. 2021, Figure 3）

结合化石在各层的分布规律等证据，我们推断该古湖的沉积分层是年度性的，相当于温带地区的树轮，我们因此可以像研究树轮一样按年定层！仔细数数，约840年！

Clarkia地区的化石和山坡上植被的巨大差异记录了全球气候变化的结果。 而这个精确到年的时间框架，不仅可以帮助我们更深入细致地了解这个世界著名的Clarkia古湖泊千年历史、理化特征及其与各种古分子保存的关系，还将为更精细地研究整个新近纪最暖阶段的全球气候和碳循环提供机会和可能。

随着当今大气二氧化碳含量的逐年增加，如不加以控制，化石中的阔叶树种是否会有朝一日取代Clarkia山坡上的针叶林？在世界其他地方又会产生怎么的变化？这些想象中的“幻景”又会在多长时间后到来？这看似匪夷所思的一切，却与人类的未来密切相关。

我们的研究正是在远古的中新世打开了一个千年的时间窗口，透过它，希冀更准确地窥探到未来的气候变化，从而可以更好地“对症下药”，促进人类与地球的可持续发展。这也是我近两年来参与这个研究团队的最大收获。新建立的Clarkia古湖近千年且能逐年分析的历史，给予了我们可以直接在同一时间尺度上进行古今对照的难得机会。

这次旅行就暂时到这里。不得不感慨：科学不易，科普也不易，各位且看且珍惜！所以走之前记得

2021年4月23日撰写于美国罗德岛

参考文献：

[1]Höfig, D., Zhang, Y. G., Giosan, L., Leng, Q., Liang, J., Wu, M., Miller, B., and Yang, H. 2021, Annually resolved sediments in the classic Clarkia lacustrine deposits (Idaho, USA) during the middle Miocene Climate Optimum. Geology.

[2]Smiley, C.J., Gray, J., and Huggins, L.M., 1975, Preservation of Miocene fossils in unoxidized lake deposits, Clarkia, Idaho: Journal of Paleontology, v. 49, p. 833–844.

[3]Smiley, C.J., and Rember, W.C., 1981, Paleoecology of the Miocene Clarkia lake (northern Idaho), in Gray, J., et al., eds., Communities of the Past: Stroudburg, Pennsylvania, Dowden, Hutchinson, and Ross, p. 551–590.

[4]Smiley, C.J., and Rember, W.C., 1985, Physical set­ting of the Miocene Clarkia fossil beds, northern Idaho, in Smiley, C.J., ed., Late Cenozoic His­tory of the Pacific Northwest: Interdisciplinary Studies on the Clarkia Fossil Beds of Northern Idaho: San Francisco, Pacific Division of Ameri­can Association for the Advancement of Science, p. 11–31.

[5]Smith, G.R., and Elder, R.D., 1985, Environmen­tal interpretation of burial and preservation of Clarkia fishes, in Smiley, C.J., ed., Late Ceno­zoic History of the Pacific Northwest: Interdis­ciplinary Studies on the Clarkia Fossil Beds of Northern Idaho: San Francisco, Pacific Division of American Association for the Advancement of Science, p. 85–94.

[6]Wang, H., Leng, Q., Liu, W., and Yang, H., 2017, A rapid lake-shallowing event terminated preser­vation of the Miocene Clarkia Fossil Konser­vat-Lagerstätte (Idaho, USA): Geology, v. 45, p. 239–242.

图文来源：梁嘉琪

编辑：罗梅

校对：白琳