它是国家一级保护动物，在海底默默记录着古代的天气
2020/7/5 7:00:00 科学大院
近日，有游客在三亚游玩时收获了潜水教练赠送的“美人蚌”，当事游客将其带回客房并于第二天快乐放生。
然而，有网友指出，所谓的“美人蚌”非常像国家保护动物砗磲(chē qú)，可能涉嫌非法捕捞!目前事件正在调查中，潜水教练一不小心就在违法犯罪的边缘疯狂试探了……
等等，这砗磲是个啥？如果你认为它只是个大贝壳，那就太小瞧它了，它的身上可能有古代天气的种种信息。
今天，就让中国科学院地球环境研究所的晏宏研究员带你去看看这种奇妙的“地质气象站”~
砗磲的特征与分布
砗磲长啥样？
首先，它是一个贝壳，全球最大的双壳类贝壳。
这是我实验室里的一对砗磲样本，长1.02米，重三百多斤(半边壳)，采自南海。来我们实验室参观的朋友们都很喜欢它。每次我都跟他们说，如果你能一个人把它从五楼抱到一楼，就送你了。很显然，至今这对砗磲仍然好好的呆在我们实验室。
虽然砗磲的壳体是白色的，但是活体砗磲外表有外套膜和共生藻类，五颜六色，非常漂亮。
漂亮的活体砗磲
按复杂的“界、门、纲、目、科、属、种”来分类，砗磲属于动物界，软体动物门，帘蛤目，乌蛤科，砗磲亚科。砗磲亚科共有两大家族，也就是分类学上所说的两属，分别为砗磲属(Tridacna)和砗蚝属(Hippopus)。其中砗磲属有9个不同的种，分别为大砗磲、鳞砗磲、番红砗磲、无鳞砗磲、长砗磲，魔鬼砗磲, 诺瓦砗磲, 罗氏砗磲和肋砗磲；砗蚝属只有2个种，分别为砗石蚝和瓷口砗磲。
不同种类砗磲，各有千秋
砗磲能活多久？
砗磲寿命最长能到100年，大部分在50年左右。
也就是说，单个的砗磲可以提供50-100年的气候或天气记录。虽然不长，但是我们有很多个化石砗磲，有的生活在几十年前，有的在几百年前，有的在几千年甚至几万年前，很多个化石砗磲一起，就能提供很多过去的气候和天气变化信息。
一个化石砗磲截面，年纹层数量显示这个砗磲寿命大约60年
砗磲生活在哪儿？
砗磲主要分布在热带太平洋-印度洋的珊瑚礁系统浅水环境中，水深一般不超过30米，多为2-5米。
砗磲一旦在珊瑚礁固定后，一辈子都不会移动。
大家知道，我们常见的小贝壳，通常是开口向下，可以通过肌肉移动。但是砗磲一般都是开口向上固定在珊瑚礁盘上的，一辈子都不会移动。
这个固定不动的特征对于我们做古气候古天气研究非常重要。如果砗磲不停的移动，那么所记录的气候环境信息就会随位置的改变而受到干扰。好在砗磲一辈子不移动，就像一个海洋气象站一样，在同一个位置不停的记录周边的海洋、天气、气候信息，简直就是天生的“地质气象站”。
开口向上，一辈子不移动的砗磲
砗磲吃什么？
砗磲表面的外套膜上面，有很多虫黄藻，虫黄藻光合作用能直接给砗磲提供能量，因此砗磲实际上是靠光合作用生活的，除了幼年期吃几个虫黄藻外，一辈子几乎不吃东西。
当然砗磲这个靠光合作用生活的特性对于我们用砗磲做古天气重建非常重要，天气一变化，虫黄藻光合作用效率就会变化，砗磲生长速率等生物地球化学特征就会变化。
(ps：学生做的图，本来我是不想出名的)
砗磲的生存模式，就像人头上长了一棵树一样，树的光合作用直接给人供能，然后人就可以不用工作不用吃饭，每天晒晒太阳就可以了。砗磲的生活方式简直就是人类的终极目标啊~
关于砗磲的特征我们先唠这么多，下面一起来看看它为啥有潜力成为前所未有的古天气研究载体。
砗磲和古天气有什么关系？
首先我们来看看砗磲的年纹层。
南海西沙砗磲的年纹层，肉眼可见
这是一个采自南海西沙的砗磲，在它的截面上，我们可以清晰地看到纹层，这个纹层就是砗磲的年纹层，因为冬夏的生长速率不同，碳酸盐呈现出不同的光学特征。
每个年纹层的宽度不一，大约1-20毫米，幼年期的时候长得快点，老了长得慢点。但是它不会像人一样年纪大了就不长高，它只是长得慢点，但仍然会长。
砗磲年生长速率(虚线，随年龄下降)和总高度(实线，随年龄升高)
利用微钻设备，我们可以从每个年纹层中采集到超过12个样品，基本上可以获得月分辨率的样品。
我们实验室自行开发的微钻设备，可以从每个砗磲年纹层中取到超过12个样品，获得月分辨率的样品
对这些样品进行测试，我们就可以获得月分辨率的氧同位素(δ18O)、元素比值Sr/Ca等记录。砗磲中的氧同位素和Sr/Ca，主要受温度控制，他们与温度之间有定量关系，可以建立转换方程。
南海西沙砗磲1994-2005年的氧同位素(δ18O，蓝色线c)和Sr/Ca(红色线a)记录；两者均与西沙当地海表面温度(SST)(绿色线b和紫色线d)显著相关；对应的转换方程分别标出。氧同位素和Sr/Ca的一个周期代表一年，与年纹层对应。
这就是利用砗磲进行古气候研究的基本原理，也是过去10年我们一直在做的事情。通常我们采集一个化石砗磲后，会用AMS14C测年方法测定它大致生活在什么时候，然后在每个年纹层中取超过12个样品，再测试样品的氧同位素和Sr/Ca，然后利用转换方程，计算过去的温度，并讨论相应的气候系统变化。
利用化石砗磲Sr/Ca和氧同位素重建的南海西沙公元50年附近和公元990年附近的海表面温度
到这为止，我们利用砗磲所做的仍然是古气候研究，分辨率为月，仍然无法深入到天-小时尺度的天气变化。
重点来了!
之前我们观测砗磲的年纹层用的都是肉眼看，后来我们升级了，采用了生物学研究上常用的激光共聚焦显微镜，你猜我们看到了什么？
日纹层!我们在砗磲中拍到了清晰连续的日生长纹层。日纹层宽度为10-60微米，也就是说砗磲实际上每天在长一小层，只是我们肉眼看不到，但显微镜能看到。
南海西沙砗磲激光共聚焦显微成像得到的日纹层图像
这个日纹层很重要，因为它可以用来建立天分辨率的年代学框架，这也是我们进行天分辨率古天气研究的基础。
不过这意味着什么？
比如刚才我们说的月分辨率古气候研究，就是建立在砗磲有年纹层的基础上。我们通过年纹层，可以把砗磲寿命中所经历过的时间一年一年的分开，并获得砗磲年生长速率记录。然后在每个年纹层里面测试12个同位素或元素样品，又能把1年分成12个月，因此能得到总长度在50-100年(取决于砗磲寿命)的连续月分辨率的记录。这样一个连续记录就可以用来讨论那个时期的平均温度和气候变率。
通过砗磲年纹层，我们可以获得年分辨率的相对年代学框架(1,2,3……)，然后在每个年纹层中平均取12个样品，就能把年代学近似精确到月
如果砗磲有清晰连续的天纹层，那么我们就可以把砗磲寿命中所经历过的时间一天一天的分开。然后至少可以根据每天的生长宽度建立砗磲天分辨率的生长速率变化。前面我们也提到，砗磲生长靠光合作用，会受到天气变化影响，因此生长速率的快慢就有可能反应当时的天气变化。
有了准确的天分辨率年代学框架，我们还可以进一步在每个日纹层中做文章，把分辨率进一步提高。比如用纳米二次离子质谱(NanoSIMS)测试日纹层中的元素分布。
刚才我们提到砗磲每个日纹层宽度在10-60微米。而NanoSIMS的测试分辨率可达1微米甚至更高，理论上可在每个日纹层中获得10-60个连续元素数据(数据分辨率0.4-2.4小时)，由此便可建立小时分辨率的地球化学序列。
底图为激光共聚焦显微镜拍摄的砗磲天纹层照片，黄色为NanoSIMS测试得到的Sr/Ca比值，每天的数据量为10-60，具体由天纹层宽度决定，数据的理论时间分辨率为0.4-2.4小时
有了天分辨率的生长速率和小时分辨率的地球化学记录，我们就可以开展天-小时分辨率的古天气研究了。
比如，我们获得了一个化石砗磲，利用AMS14C测年方法得到这个砗磲存活在大约2000年前，也就是我国的汉朝时期。然后通过肉眼数年纹层，我们知道了这个砗磲寿命是60年，那么我们就可以建立连续60年的相对年代学框架。
通过测试月分辨率氧同位素和Sr/Ca，我们又可以将这60年连续记录的分辨率提高到月，并据此研究这60年的平均气候和气候变率。比如我们可以计算当时的平均温度，假如计算结果显示那时候的温度比现在高1度，那么就可以推断我国汉朝的时候，距今2000年左右，南海的温度比现在高1度，是一个典型的温暖期，然后可以进一步根据记录分析当时温度变率、年较差、厄尔尼诺事件的周期、振幅等气候问题。
接着利用激光共聚焦显微镜，我们可以获得这60年的天纹层，进一步将这60年的分辨率提高到天，并建立天生长速率记录。
最后利用NnaoSIMS测试元素和同位素，进一步将这60年的分辨率提高到小时，并建立小时分辨率的地球化学记录。
有了这60年天-小时分辨率的生物地球化学记录，我们就可以进一步研究当时的天气状况，每年有多少次台风、多少次暴雨，冬天有多少次寒潮，有没有MJO周期等。
南海西沙砗磲小时分辨率的Fe/Ca记录，其中的脉冲式突变，就是台风的杰作
几个小问题
1.其他地质生物载体有没有日纹层？比如树轮和珊瑚。
答：尝试过不少，暂时没发现还有哪种载体有清晰连续的日纹层。
树轮：显微学分析显示，树木基本上是一个季节生长一些细胞层，但不是每天，无法获得日纹层。而且树木通常在冬天会停止生长或生长缓慢，也无法提供连续的记录。
珊瑚：没有发现连续的日纹层。我们对南海珊瑚样品也进行了显微学分析，没有发现日纹层。理论上讲，砗磲是单个生命体，每天分泌钙质流体，长一层是合理的。而珊瑚则是珊瑚虫分泌的石灰质骨骼聚结而成的，每个珊瑚虫的生存时间都不一样，有的几天，有的几十天。所以很难在珊瑚岩心中观测到清晰连续的日纹层。
其他小贝壳：跟砗磲类似，理论上可能有，但是相比于砗磲，它们的生长速率太慢，现有技术可能很难从中获得清晰连续的天纹层。
南海珊瑚激光共聚焦显微成像图，比较杂乱，暂未发现清晰连续的日纹层
2.AMS14C测年误差会有几十年，化石砗磲的年代测定只能用AMS14C测定，是否会影响砗磲古天气研究？
答：不会。
AMS14C测试只是告诉我们砗磲生活在什么时代，这已经足够了。我们最需要的是精确的相对年代学，保证在砗磲寿命期间的几十年里，我们得到的天分辨率记录是连续的，这样我们就可以分析在这几十年里，天气的状况是如何的。至于这几十年里的背景气候状况，我们可以通过月分辨率氧同位素和Sr/Ca的测试和计算得到。比如上面那个汉朝化石砗磲，我们最终得到是，在距今2000年左右的60年里，南海温度比现在高1度左右，是个典型的温暖期，这60年里，台风如何，寒潮如何，MJO变化如何等。至于这60年是距今2000-2060，还是2010-2070，并不是很重要。
3.砗磲日纹层会不会有缺失？
答：已经做过一些验证，暂未发现明显缺失现象。
比如我们在南海采集了一个很大的砗磲，年纹层和同位素年周期显示，寿命约为23.5-24年，我们对日纹层进行计数，总日纹层为8649层，平均为360到368层每年，基本上没有明显缺失。
采自西太平洋地区的其他现代和化石砗磲的日纹层
最后……
看到这里，相信大家基本上都能明白，砗磲为啥有潜力成为前所未有的古天气研究载体了。
因为砗磲有日纹层。
利用激光共聚焦显微镜，可以把日纹层识别出来，构建天分辨率的年代学框架，并在此基础上建立天分辨率的生长速率记录。
利用NanoSIMS，可以获得小时分辨率的元素地球化学记录。
这些天-小时分辨率的生物地球化学记录，就是砗磲开展古天气研究的潜力。
下次去潜水时要注意哦~可别再把砗磲当成舌尖上的美人蚌了，人家可是超厉害的古天气研究载体!
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