硅藻檔案館帶我們回到千百年前

編譯 苦山

賓夕法尼亞州費(fèi)城德雷塞爾大學(xué)自然科學(xué)院館藏的大量硅藻也許不如許多自然博物館里的大型動(dòng)植物標(biāo)本亮眼，但它們是過去環(huán)境的檔案

坐落在賓夕法尼亞州費(fèi)城市中心，美國德雷塞爾大學(xué)自然科學(xué)院散發(fā)出一種雜亂、珍奇的氣質(zhì)。它的新古典主義立面上隨處可見自然主題裝飾——大門兩側(cè)擺著菊石化石、扶手卷曲成蕨類植物的模樣、銅制門把手形似朱鹮的頭骨。作為西半球最古老的自然科學(xué)機(jī)構(gòu)，科學(xué)院積累了大量非凡的標(biāo)本。這里收藏著約1 900萬件標(biāo)本，其中有從劉易斯與克拉克遠(yuǎn)征途中采集的植物、歐內(nèi)斯特·海明威釣上來的藍(lán)槍魚，以及美國第一具架設(shè)起來展出的恐龍骨架。

科學(xué)院里許多極為不起眼卻極有影響力的珍藏被存放在二樓的一片辦公室區(qū)域，里面擺滿了笨重的收藏柜和顯微鏡。在其中一臺(tái)顯微鏡旁邊，館長瑪麗娜·波塔波娃（Marina Potapova）打開了一個(gè)筆記本大小的塑料容器，里面塞滿了玻璃片。在外行人看來，這些平平無奇的玻片似乎臟兮兮的——每一張看起來都像是被臟手指抹過。

但是當(dāng)波塔波娃拿出一張玻片放到顯微鏡鏡頭下時(shí)，玻片里的內(nèi)容就讓人眼花繚亂起來：幾十種硅藻形狀各異地固定在了玻片里。硅藻是微小的單細(xì)胞藻類，包裹在堅(jiān)固的二氧化硅質(zhì)細(xì)胞壁里，只要有水的地方就能找到。

有些硅藻形狀長如法棍面包或是扁平如茶托，另一些則彼此勾連，看起來像半透明的蜈蚣。還有一些像魚叉一樣有著倒鉤，或是狀若矮胖的海星。有些甚至像是華麗的彩色玻璃花窗。在顯微鏡下，幾滴渾濁的池水變成了包羅硅藻多樣性的萬花筒。

硅藻的美令人印象深刻。但它們在生態(tài)層面的重要性驚人到讓你難以置信。硅藻喂養(yǎng)著從微小的浮游動(dòng)物到巨大的濾食性動(dòng)物之間的一切，從而錨定海洋食物鏈網(wǎng)。舉個(gè)例子，科學(xué)家們推斷，鯨在大約3 000萬年前的出現(xiàn)反映了硅藻多樣性的激增。硅藻對大氣也有巨大的影響。作為地球上最為豐產(chǎn)的生物之一，硅藻吸收空氣中的二氧化碳等氣體，并在光合作用過程中生成大量的氧氣儲(chǔ)量。據(jù)估計(jì)，我們呼吸的空氣中有大約1/4是由硅藻產(chǎn)生的。

超過400萬件的重要藻類標(biāo)本被貼在數(shù)以萬千計(jì)的玻片上，存放于科學(xué)院的硅藻標(biāo)本室，這一數(shù)量在全球僅次于倫敦的自然博物館。

位于賓夕法尼亞州費(fèi)城的德雷塞爾大學(xué)自然科學(xué)院擁有超過400萬件硅藻標(biāo)本，位列世界第二

硅藻是一種由二氧化硅構(gòu)成的浮游植物，形態(tài)各異，它是海洋食物鏈網(wǎng)的基礎(chǔ)，對地球大氣健康有著巨大的影響

硅藻不僅豐富多樣、生命力強(qiáng)韌，也是各種環(huán)境條件的重要晴雨表。某些硅藻物種的存在可以幫助科學(xué)家確定該處是否經(jīng)歷了工業(yè)污染、氧氣枯竭等情況。波塔波娃和她的同事們最近使用了這些水環(huán)境的“時(shí)間膠囊”來測量海平面的加速上升如何威脅新澤西的沿海濕地。

由于相對缺乏環(huán)境監(jiān)測，這些重要沼澤地（它們儲(chǔ)存了碳，為魚類提供育苗場，還在暴風(fēng)雨來臨時(shí)成為海岸的緩沖帶）的歷史衰退在很大程度上湮沒了，使得對它們的修復(fù)工作幾乎全靠猜測來進(jìn)行。

然而，科學(xué)院儲(chǔ)存的數(shù)以百萬計(jì)的硅藻正在幫助研究人員跟蹤海洋上升時(shí)沿海濕地的衰退情況，這或許有助于預(yù)測海岸的未來?！肮柙褰^對是無價(jià)的環(huán)境檔案，”波塔波娃說，“從它們告訴你的有關(guān)過去的信息中，你可以推斷出未來?！?/p>

考慮到科學(xué)院的歷史，這棟數(shù)層樓的機(jī)構(gòu)會(huì)成為硅藻研究的中心其實(shí)不足為奇。19世紀(jì)50年代，隨著顯微鏡技術(shù)得到推廣，費(fèi)城的許多紳士博物學(xué)家被微小微生物的王國吸引，最終在科學(xué)院建立了費(fèi)城顯微鏡學(xué)會(huì)。

因?yàn)槊赖皿@人，硅藻在顯微鏡學(xué)會(huì)內(nèi)掀起了一場風(fēng)暴。這些硅藻學(xué)家中有許多人為了滿足自身的興趣，向東前往新澤西海岸線收集樣本，他們用穩(wěn)定的手和豬睫毛做的刷子把樣本置于玻片上。愛好者們會(huì)聚到科學(xué)院，在午餐會(huì)上展示他們的玻片標(biāo)本。

科學(xué)院的早期成員顯然對硅藻充滿了熱情，但他們多數(shù)都是業(yè)余愛好者，幾乎不曾對收集的大量標(biāo)本發(fā)表過研究論文。1933年，當(dāng)露絲·帕特里克（Ruth Patrick）來到科學(xué)院時(shí)，她要將每位收藏家參與匯編的大量玻片標(biāo)本統(tǒng)一整理。事實(shí)證明，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。帕特里克的父親是一位業(yè)余硅藻學(xué)家，她在七歲時(shí)收到了自己的第一臺(tái)顯微鏡。帕特里克在童年時(shí)就早早地被硅藻吸引，并最終通過對微觀生物的研究獲得了博士學(xué)位。盡管她擁有科學(xué)專業(yè)證書，卻只得大材小用地為未經(jīng)訓(xùn)練的業(yè)余愛好者設(shè)置顯微鏡、擺放玻片標(biāo)本。僅僅是在這個(gè)男性主導(dǎo)的科學(xué)院獲得會(huì)員資格就耗費(fèi)了她數(shù)年時(shí)間。但她的堅(jiān)持得到了回報(bào)，1937年，她成了新生的硅藻標(biāo)本館的館長。

選取2016年3月～2018年12月在我院治療的冠心病心力衰竭患者70例作為研究對象，回顧性分析其臨床資料，其中，男41例，女29例，年齡56～75歲，平均年齡（68.31±3.16）歲，血型：A型14例，B型21例，AB型8例，O型27例。

帕特里克的第一個(gè)目標(biāo)是將不同收藏集堆成的標(biāo)本大雜燴整合成一批統(tǒng)一、全面的藏品，以便分類研究。沒在制作和整理玻片標(biāo)本時(shí)，她會(huì)涉水走進(jìn)附近的池塘和溪流，實(shí)地收集新的標(biāo)本。在這些實(shí)地之旅中，她逐漸認(rèn)識(shí)到硅藻的生態(tài)重要性。

這一認(rèn)知在她1948年前往賓夕法尼亞州的康內(nèi)斯托加河考察時(shí)明確成形。康內(nèi)斯托加河的水體遭到了污水和工業(yè)廢水的嚴(yán)重污染。隨著她的團(tuán)隊(duì)在整條小溪的范圍內(nèi)收集樣本，她發(fā)現(xiàn)硅藻的種類構(gòu)成存在某種模式。一些物種的密度在受污水污染的區(qū)域急劇增加，另一些物種則在受化學(xué)品污染的區(qū)域蓬勃生長。很快，帕特里克就能熟練地將某些硅藻的存在作為診斷湖泊和河流污染的關(guān)鍵。這為“硅藻種類越多樣，淡水生態(tài)系統(tǒng)越健康”的觀點(diǎn)提供了支持——生態(tài)學(xué)家們把這一深刻的見解命名為帕特里克原理。

露絲·帕特里克是科學(xué)院硅藻館的首任館長，上圖攝于20世紀(jì)40年代，照片中的她正在處理硅藻藏品

帕特里克徹底改變了使用硅藻來監(jiān)測淡水系統(tǒng)的做法，但用它們監(jiān)測沿海濕地卻落后了一步。新澤西州生態(tài)環(huán)境部的研究科學(xué)家米哈埃拉·埃納什（Mihaela Enache）說，淡水和咸水在沿海地區(qū)（如河口）的交匯融合創(chuàng)造出了動(dòng)態(tài)而復(fù)雜的棲息地，在這類區(qū)域中，內(nèi)陸硅藻和海洋硅藻混合在一起。

但近幾十年來，海洋主導(dǎo)了曾經(jīng)充滿活力的海岸邊緣，隨著海平面上升，海洋不斷向內(nèi)陸推進(jìn)。在過去的一個(gè)世紀(jì)里，新澤西沿岸的海平面上升了0.45米，是全球平均水平0.18米的兩倍多。到2100年，海平面可能上升超過一米。

事實(shí)證明，海平面的急劇上升對新澤西海岸線上交錯(cuò)的沼澤地而言是災(zāi)難性的，其中一些沼澤地已經(jīng)被海水淹沒。然而，由于環(huán)境監(jiān)測只能追溯到幾十年前，很難徹底、完整地解析這些濕地的流失程度。

如果缺乏對濕地自然條件的了解，對它做生態(tài)恢復(fù)將困難到令人望而卻步。埃納什說，這些信息至關(guān)重要。“沒有它們，你就是兩眼一抹黑?！敝x天謝地的是，這些丟失的數(shù)據(jù)有一部分被記錄在了科學(xué)院的那一大堆硅藻中。

和大多數(shù)沿海地區(qū)一樣，海平面上升對新澤西州來說毫不陌生。在更新世時(shí)期，新澤西還被冰層覆蓋，乳齒象棲居于此地，當(dāng)時(shí)大量的海水結(jié)成了海冰。大約18 000年前，海平面比現(xiàn)在低了130多米，新澤西的海岸線因此向大西洋推進(jìn)了110公里之遠(yuǎn)。

上一個(gè)冰河時(shí)代的結(jié)束引發(fā)了海平面的穩(wěn)步上升，冰蓋的消退導(dǎo)致新澤西部分地區(qū)下沉。根據(jù)羅格斯大學(xué)的海平面研究員詹妮弗·沃克（Jennifer Walker）的說法，證據(jù)證明，這種沉降加上冰川的融化共同導(dǎo)致了海平面的快速上升。

在2021年發(fā)表的一份研究報(bào)告中，沃克通過回顧過去，來將新澤西州目前的海平面上升置于一個(gè)更大的背景中?！叭绻覀兡軌蛄私?，在過去，溫度、大氣層和海平面的變化是如何相互關(guān)聯(lián)在一起的，我們就可以用這些知識(shí)來預(yù)測未來的變化?！?/p>

為了測量過去2 000年間海平面的波動(dòng)，她的團(tuán)隊(duì)檢查了一類被稱為有孔蟲的單細(xì)胞原生生物的外殼，這類生物只能生活在特定的環(huán)境條件中，這使它們成為重構(gòu)海平面變化的重要指標(biāo)。通過檢查在新澤西海岸不同地點(diǎn)收集的沉積巖芯，從中辨識(shí)出特定的有孔蟲物種，她的團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論稱，新澤西海岸正在經(jīng)歷兩千年以來海平面上升最快的時(shí)期。

新澤西州生態(tài)環(huán)境部希望可以將硅藻作為一種類似的工具來幫助理解沿海沼澤對海平面上升的反應(yīng)。像有孔蟲一樣，每種硅藻對環(huán)境條件都極其敏感。例如，像搟面杖形的小頭菱形藻這樣的物種會(huì)在富含氮的環(huán)境中茁壯成長，它們的外殼因此成了營養(yǎng)鹽污染的常見標(biāo)志。其他物種，比如多節(jié)殼形似細(xì)長三葉蟲的施密斯雙壁藻，則喜歡鹽水。它們在內(nèi)陸的存在是過去海平面曾經(jīng)入侵的有效證據(jù)，有助于研究人員推斷過去哪些沼澤地容易發(fā)生淹水。

為了確定這些微觀指標(biāo)曾經(jīng)存在于何處，新澤西州生態(tài)環(huán)境部部署了一組研究人員進(jìn)入沿海的幾片沼澤地，范圍橫跨北部嚴(yán)重污染的濕地到南部近乎原始的潮汐沼澤。在每個(gè)地點(diǎn)，他們都從沼澤淤泥中取芯，在某些地方取樣深達(dá)兩米。埃納什把這種方法比作從上至下切進(jìn)一沓煎餅——你切得越深，實(shí)際上就是越往過去回溯，從剛拿出鏊子、熱氣騰騰的煎餅回到了壓在煎餅堆最底下、已經(jīng)受潮發(fā)軟的煎餅。隨著研究人員們往深處挖掘，他們也就回到了幾十年前。他們總共從五片濕地收集了九個(gè)巖芯。

新澤西州生態(tài)環(huán)境部隨后將沉積巖芯送往費(fèi)城，在那里，波塔波娃和她的碩士生尼娜·德西安蒂（Nina Desianti）測量了新澤西沿海濕地內(nèi)各個(gè)時(shí)間段的硅藻多樣性。德西安蒂處理硅藻標(biāo)本的第一步是將沉積物樣本浸泡在強(qiáng)酸中，溶解除硅質(zhì)殼以外的所有物質(zhì)，然后將它們粘在玻片上。這步做完，五片沼澤中每一片沼澤的環(huán)境歷史都被安放在了數(shù)千玻片之上。隨后，她們利用科學(xué)院內(nèi)已經(jīng)分好類的標(biāo)本，玩一場用顯微鏡找出誰是誰的游戲。但是，就連龐大的硅藻標(biāo)本館也無法給出所有的答案——德西安蒂估計(jì)，從濕地收集的900多種硅藻中，有1/3以上是科學(xué)界此前未發(fā)現(xiàn)過的新物種。

瑪麗娜·波塔波娃是德雷塞爾大學(xué)自然科學(xué)院的館長，她正在為硅藻取樣

德雷塞爾大學(xué)自然科學(xué)院的一間實(shí)驗(yàn)室里，波塔波娃正在檢查從海岸取樣的硅藻

2019年，這份極其繁重的工作孕育出了一本名為《新澤西沿海濕地硅藻類群 》（Diatom Flora of the New Jersey Coastal Wetlands）的巨著。對于外行人來說，這是一部由令人生畏的拉丁文學(xué)名和激動(dòng)人心的電子顯微鏡照片交織而成的驚人之作，描繪了硅藻那無限小的榮光。對埃納什而言，這是解讀新澤西濕地衰退的關(guān)鍵。通過將硅藻物種的組成和現(xiàn)代的濕地條件輸入建模程序，埃納什就能說明某片濕地曾經(jīng)的樣子。她說：“硅藻是非常珍貴的環(huán)境檔案，因?yàn)槲覀兛梢越柚鼈兓氐竭^去——那時(shí)沒人去測量營養(yǎng)物質(zhì)，沒人去測量酸堿值——而且真的可以利用硅藻物種得到完整的數(shù)字。”這些數(shù)據(jù)幫助她記錄下新澤西水體中許多物質(zhì)的增長，包括農(nóng)業(yè)營養(yǎng)物質(zhì)和工業(yè)化學(xué)物，這些數(shù)據(jù)可以一路追溯到17世紀(jì)中葉，當(dāng)時(shí)歐洲人剛到達(dá)此處、剛開始徹底地改造新澤西。

不過，盡管硅藻為我們提供了一扇觀察新澤西沼澤地衰退的窗口，但對德西安蒂來講， 它們也讓她得以一窺環(huán)境的韌性。正如研究小組利用不同硅藻的耐鹽性來繪制過去海平面上升的情況一樣，他們也可以利用微小的藻類來推斷這些沼澤曾經(jīng)如何應(yīng)對海水的倒灌。

作為棲息地時(shí)，沼澤的動(dòng)態(tài)變化尤為顯著。作為陸地和海洋之間的濕軟屏障，沿海沼澤里有著大量的沉積物，它們垂直堆積以保持自身高于上升的海平面。當(dāng)海平面上升的速度超過沉積物的積累時(shí)，沼澤就會(huì)退向內(nèi)陸，流入沿海森林。當(dāng)沼澤中的咸水滲入地下水時(shí)，會(huì)殺死樹木，形成生態(tài)學(xué)家所說的滿是干枯樹皮的“幽靈森林”。

盡管沿海沼澤天然具有很強(qiáng)的可塑性，但人類活動(dòng)產(chǎn)生的影響已使它們變得脆弱不堪。在新澤西州，大壩濾出沉積物，奪走了沼澤地的“建造材料”，被逼退的沼澤地卻又撞上了鋪好的道路和度假屋。“為了建立棲息地，鹽沼不得不與我們競爭?！钡挛靼驳僬f。如今，她受威斯康星州立衛(wèi)生實(shí)驗(yàn)室之托，利用硅藻來追蹤營養(yǎng)鹽污染，“結(jié)果，這些鹽沼受到了上升海平面和人類壓力兩頭的擠壓?！?/p>

波塔波娃和德西安蒂收集、鑒定的硅藻不僅有助于新澤西州生態(tài)環(huán)境部了解新澤西沿海濕地對過去幾次海平面上升的反應(yīng)，還有助于他們了解如何恢復(fù)這些充滿活力的生態(tài)系統(tǒng)。

你越往深處鉆研池塘淤泥，找到的硅藻就越趨于多樣化，正如露絲·帕特里克幾十年前推斷的那樣，這是生態(tài)系統(tǒng)健康的標(biāo)志。當(dāng)你檢查巖芯中更近期的片段，這種硅藻多樣性經(jīng)常會(huì)減弱，與之相伴的是某些特定物種（比如喜鹽的海洋硅藻）占據(jù)了主導(dǎo)地位。搞清楚這些喜鹽物種在哪里最為多見，就能揭示哪些生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)屈服于海平面上升，又有哪些恢復(fù)工作（例如輸入沉積物）最為急需。

硅藻并不是海平面上升和污染等威脅的解決之法，而是有助于對抗它們的關(guān)鍵。它們揭示了遠(yuǎn)在人們關(guān)注之前原始棲息地曾經(jīng)的模樣，并告訴我們從當(dāng)時(shí)到現(xiàn)在的數(shù)個(gè)世紀(jì)里到底出了什么岔子。為了制定成功的濕地恢復(fù)措施，咨詢這些微觀藻類的確是個(gè)明智之舉。

這就是為什么，波塔波娃和德西安蒂將她們在新澤西沿海沼澤收集的硅藻標(biāo)本也做了歸檔，與帕特里克的標(biāo)本一同收進(jìn)了硅藻標(biāo)本館的鋼柜。正如硅藻曾在沉積物中保存數(shù)千年，科學(xué)院儲(chǔ)存的硅藻標(biāo)本將為未來的研究人員提供寶貴的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以便他們了解污染和海平面變化。

“硅藻標(biāo)本館是硅藻研究的寶貴資源，”德西安蒂說，“我確信在未來，即使在我離開之后，人們?nèi)匀粫?huì)訪問這些藏品，繼續(xù)研究環(huán)境問題?！彼嘈?，在存放于科學(xué)院深處的萬千張玻片標(biāo)本中，有某些環(huán)境學(xué)領(lǐng)域的突破正等著被人破解。

資料來源Hakai Magazine