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企鵝糞土揭示生態氣候變化史

企鵝


企鵝糞土揭示生態氣候變化史

企鵝糞土揭示生態氣候變化史（插圖）
（）據中國科學報（童岱）：企鵝的糞便有何用？科研人員以此為突破口，試圖摸清不同歷史時期企鵝種群數量的變化規律，為預測南極生態對氣候變化的響應提供科學依據 。
過去4年來，中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）兩位教授孫立廣、謝周清所在課題組與美國北卡羅來納大學艾莫斯利·斯蒂夫教授合作，在南極的美國麥克莫多站開展了兩次多學科聯合科學考察 。相關成果于近日發表在《自然—科學報告》上，引起了國際媒體的廣泛關注 。
“被逼出來的創新”
南極是中國科大極地環境研究室的福地 。從1998年開始，孫立廣領導的課題組在環南極無冰區開展了系統性的科學考察 。他談到，最初去南極科考時，國家給予的10萬元專項經費還沒到賬 。他就找學校借了3萬元，挺進南極 。
此后，隨著研究領域逐步拓展，孫立廣課題組形成了獨有的研究方法與技術套路，并應用到北極和中國近海，在《自然—通訊》、《自然—地球科學》、《地球化學宇宙化學學報》等國際權威學術期刊上發表了一系列有影響的論文 。至今，中國科大極地環境研究室已有30多人次參加了15次南北極科考 。
起初，他們在選題時也遇到過困惑 。當時，國內外有很多團隊都在南極搞研究，涉及冰芯、海洋、生物、地質、大氣、空間等多個領域 。
“我們很難在這些領域繼續謀求發展，于是就思考在水巖土氣生物圈的界面上尋找突破口 。最終 ， 企鵝成為我們的切入點 ， 它們及其‘先人’留下的糞土層是很好的南極科考‘敲門磚’ 。”孫立廣認為，“這是被逼出來的創新 。”
企鵝是南極標志性海洋生物 ， 對氣候變化響應非常靈敏 。對其糞便進行元素分析，可以了解歷史上企鵝種群數量的變化與氣候變化之間的聯系 。他們還發現，企鵝、海豹、磷蝦數量在暖期增加、冷期減少是環南極無冰區的普遍現象，由此提出了環南極無冰區生物適宜期的概念 。
最近這幾年，研究人員兩次對南極羅斯海區域的企鵝糞土層沉積物進行了樣品采集 ， 通過測定沉積物中的分子標志物，恢復了過去700年該地區企鵝、海豹和植被的生態歷史 。
面對質疑改進研究方法
泥芯樣品，便是分析企鵝糞便的載體 。樣品中含有磷、硫、鋅等多種元素 ， 它們之間有著高度的相關性，是企鵝糞的標型元素 。而磷含量的高與低 ， 表明了企鵝糞便的多與少，進而可以從不同時期的泥芯樣品中，了解企鵝種群數量的變化 。
“從我們采集的泥芯樣品來看，我們看到了某種規律的存在 。”孫立廣說，距今1800~2300年的泥芯中，磷含量非常之低，企鵝數量銳減 ， 與嚴寒的小冰期吻合；而在距今1400~1800年的相對溫暖期，企鵝數量有所增加；距今300~500年的小冰期 ， 企鵝數量又開始下滑 。
氣候的冷暖如何決定著企鵝數量的減與增呢？原因在于，企鵝需要抓捕冰架下的磷蝦進食 ， 但嚴寒會導致海冰增加，使其捕食困難 ， 最終致使其數量減少 。在相對溫暖時期，部分海冰開始融化 ， 冰架上的冰藻發育繁盛，以此為生的磷蝦增多 ， 企鵝也因食物充盈而數量增多 。
事實上，這樣的研究，最初是被人質疑的 。孫立廣談到，一方面，有人認為他們采樣不足，得出的結果有失偏頗 。為此，他們環南極跑了多個站點采集樣品，足跡遍布了我國的中山站、長城站 ， 以及美國麥克莫多站、澳大利亞戴維斯站西班牙胡安·卡洛斯一世站等多個站點 。這也為課題組爭取到了國家自然基金委員會的一個重點項目支持 。
【企鵝糞土揭示生態氣候變化史】“還有人質疑我們的分析方法，因為在研究早期，我們是對每個泥芯樣品進行27種元素的定量分析，樣品中的標記物可能會出現動物植物混淆的情況，難以準確區分 。”孫立廣說，后來課題組改進了研究方法，試圖通過動植物的有機標記物，來區分動物和植物 。
前期研究通過測定企鵝糞土層沉積物中的糞甾醇、膽甾醇、植醇等有機分子標記物，區分動物與植物 ， 最終更精確地確定特定時期企鵝數量的多寡，及生態系統內部動植物消長的變化，這為最新的研究提供了理論基礎 。
響應氣候變化的“態度”
在孫立廣看來 ， 企鵝的命運取決于它們對氣候變化的“態度”和適應能力，不同種類的企鵝對氣候變化的響應是不同的 ， 同一種企鵝處在不同的地理環境下，對氣候變化的響應也可能是不同的 。
從美國麥克莫多站采集的大量泥芯樣品中，博士生胡啟后測定了企鵝糞土層中的有機分子標志物 ， 孫立廣與謝周清分析后發現，該地區從小冰期開始后，海豹棲息地逐漸轉變成企鵝棲息地 。
海豹的離去使企鵝數量急劇增加，并在這個時期保持了較高水平 ， 而在之后的溫暖期有所減少 。這一異常現象表明，盡管小冰期氣候寒冷，但南極強烈的下降風吹開海冰，冰間湖由此增加，磷蝦繁殖旺盛 ， 企鵝的食物來源充沛 。加上采樣點屬于海灣地形，成為企鵝天然的避風港 。
氣候轉暖后，企鵝開始分散遷徙，棲息地的數量自然開始下降 。因此，“氣候寒冷企鵝數量減少，氣候溫暖企鵝數量增加”并不存在絕對性 。盡管如此 ， 他們相信，對于企鵝而言 ， 相對溫暖的氣候是有利于繁衍的 。
無論是企鵝、海豹還是植物，生態系統對氣候變化的響應不是單一的，它們受到人類活動、地形和生活環境的影響 ， 氣候變化不是決定生態的唯一因素 。孫立廣擔心的是：“對人類和企鵝來說，可怕的不是全球變暖，而是面對全球變暖束手無策 。”
談到下一步工作計劃 ， 孫立廣表示，他們正在研究不同種類企鵝對氣候變化的響應，并比較它們的差別 。“我們的長遠目標是，希望能揭示早期企鵝登陸南極的歷史及演化過程 。”這是更艱難的探索性工作，顯然需要保持創新的活力 。