作者:孙立广等 来源:《科学报告》 发布时间:2014-1-2 14:57:00
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企鹅粪土揭示生态气候变化史
  
企鹅的粪便有何用?科研人员以此为突破口,试图摸清不同历史时期企鹅种群数量的变化规律,为预测南极生态对气候变化的响应提供科学依据。
 
过去4年来,中国科学技术大学(以下简称中国科大)两位教授孙立广、谢周清所在课题组与美国北卡罗来纳大学艾莫斯利·斯蒂夫教授合作,在南极的美国麦克莫多站开展了两次多学科联合科学考察。相关成果于近日发表在《科学报告》上,引起了国际媒体的广泛关注。
 
“被逼出来的创新”
 
南极是中国科大极地环境研究室的福地。从1998年开始,孙立广领导的课题组在环南极无冰区开展了系统性的科学考察。他谈到,最初去南极科考时,国家给予的10万元专项经费还没到账。他就找学校借了3万元,挺进南极。
 
此后,随着研究领域逐步拓展,孙立广课题组形成了独有的研究方法与技术套路,并应用到北极和中国近海,在《自然—通讯》、《自然—地球科学》、《地球化学宇宙化学学报》等国际权威学术期刊上发表了一系列有影响的论文。至今,中国科大极地环境研究室已有30多人次参加了15次南北极科考。
 
起初,他们在选题时也遇到过困惑。当时,国内外有很多团队都在南极搞研究,涉及冰芯、海洋、生物、地质、大气、空间等多个领域。
 
“我们很难在这些领域继续谋求发展,于是就思考在水岩土气生物圈的界面上寻找突破口。最终,企鹅成为我们的切入点,它们及其‘先人’留下的粪土层是很好的南极科考‘敲门砖’。”孙立广认为,“这是被逼出来的创新。”
 
企鹅是南极标志性海洋生物,对气候变化响应非常灵敏。对其粪便进行元素分析,可以了解历史上企鹅种群数量的变化与气候变化之间的联系。他们还发现,企鹅、海豹、磷虾数量在暖期增加、冷期减少是环南极无冰区的普遍现象,由此提出了环南极无冰区生物适宜期的概念。
 
最近这几年,研究人员两次对南极罗斯海区域的企鹅粪土层沉积物进行了样品采集,通过测定沉积物中的分子标志物,恢复了过去700年该地区企鹅、海豹和植被的生态历史。
 
面对质疑改进研究方法
 
泥芯样品,便是分析企鹅粪便的载体。样品中含有磷、硫、锌等多种元素,它们之间有着高度的相关性,是企鹅粪的标型元素。而磷含量的高与低,表明了企鹅粪便的多与少,进而可以从不同时期的泥芯样品中,了解企鹅种群数量的变化。
 
“从我们采集的泥芯样品来看,我们看到了某种规律的存在。”孙立广说,距今1800~2300年的泥芯中,磷含量非常之低,企鹅数量锐减,与严寒的小冰期吻合;而在距今1400~1800年的相对温暖期,企鹅数量有所增加;距今300~500年的小冰期,企鹅数量又开始下滑。
 
气候的冷暖如何决定着企鹅数量的减与增呢?原因在于,企鹅需要抓捕冰架下的磷虾进食,但严寒会导致海冰增加,使其捕食困难,最终致使其数量减少。在相对温暖时期,部分海冰开始融化,冰架上的冰藻发育繁盛,以此为生的磷虾增多,企鹅也因食物充盈而数量增多。
 
事实上,这样的研究,最初是被人质疑的。孙立广谈到,一方面,有人认为他们采样不足,得出的结果有失偏颇。为此,他们环南极跑了多个站点采集样品,足迹遍布了我国的中山站、长城站,以及美国麦克莫多站、澳大利亚戴维斯站西班牙胡安·卡洛斯一世站等多个站点。这也为课题组争取到了国家自然基金委员会的一个重点项目支持。
 
“还有人质疑我们的分析方法,因为在研究早期,我们是对每个泥芯样品进行27种元素的定量分析,样品中的标记物可能会出现动物植物混淆的情况,难以准确区分。”孙立广说,后来课题组改进了研究方法,试图通过动植物的有机标记物,来区分动物和植物。
 
前期研究通过测定企鹅粪土层沉积物中的粪甾醇、胆甾醇、植醇等有机分子标记物,区分动物与植物,最终更精确地确定特定时期企鹅数量的多寡,及生态系统内部动植物消长的变化,这为最新的研究提供了理论基础。
 
响应气候变化的“态度”
 
在孙立广看来,企鹅的命运取决于它们对气候变化的“态度”和适应能力,不同种类的企鹅对气候变化的响应是不同的,同一种企鹅处在不同的地理环境下,对气候变化的响应也可能是不同的。
 
从美国麦克莫多站采集的大量泥芯样品中,博士生胡启后测定了企鹅粪土层中的有机分子标志物,孙立广与谢周清分析后发现,该地区从小冰期开始后,海豹栖息地逐渐转变成企鹅栖息地。
 
海豹的离去使企鹅数量急剧增加,并在这个时期保持了较高水平,而在之后的温暖期有所减少。这一异常现象表明,尽管小冰期气候寒冷,但南极强烈的下降风吹开海冰,冰间湖由此增加,磷虾繁殖旺盛,企鹅的食物来源充沛。加上采样点属于海湾地形,成为企鹅天然的避风港。
 
气候转暖后,企鹅开始分散迁徙,栖息地的数量自然开始下降。因此,“气候寒冷企鹅数量减少,气候温暖企鹅数量增加”并不存在绝对性。尽管如此,他们相信,对于企鹅而言,相对温暖的气候是有利于繁衍的。
 
无论是企鹅、海豹还是植物,生态系统对气候变化的响应不是单一的,它们受到人类活动、地形和生活环境的影响,气候变化不是决定生态的唯一因素。孙立广担心的是:“对人类和企鹅来说,可怕的不是全球变暖,而是面对全球变暖束手无策。”
 
谈到下一步工作计划,孙立广表示,他们正在研究不同种类企鹅对气候变化的响应,并比较它们的差别。“我们的长远目标是,希望能揭示早期企鹅登陆南极的历史及演化过程。”这是更艰难的探索性工作,显然需要保持创新的活力。(来源:中国科学报 童岱)
 
 
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