在地球環(huán)境科學(xué)研究中，科學(xué)家們一直在尋找能夠記錄古氣候變化的“天然檔案”。樹木年輪、冰芯、石筍等，都是人們熟知的典型氣候載體。然而，有一種看似不起眼的小生物——陸生蝸牛，其碳酸鹽質(zhì)殼體中也蘊(yùn)藏著豐富的環(huán)境信息。最近，中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所聯(lián)合西安交通大學(xué)全球環(huán)境變化研究院以及西安創(chuàng)新地球環(huán)境研究院，在陸生蝸牛殼體高分辨率碳氧同位素研究方面取得了重要進(jìn)展，揭示了殼體同位素序列對古氣候環(huán)境的深層指示意義。
小小蝸牛殼，大大氣候史
陸生蝸牛廣泛分布于全球各類陸地環(huán)境，從熱帶雨林到溫帶草原，從低地平原到高山峽谷，幾乎無處不在。更令人驚嘆的是，其碳酸鹽殼體在考古和地質(zhì)記錄中能穩(wěn)定保存數(shù)萬年至百萬年之久。如同樹木年輪記錄其生命歷程的環(huán)境變遷，蝸牛殼體中的氧同位素（δ18O）和碳同位素（δ13C）組成，也同樣承載著過去的降水狀況、植被類型及水文條件等關(guān)鍵環(huán)境信息。
然而，要準(zhǔn)確解讀這些同位素信號并非易事。蝸牛在生長過程中會受到諸多生理因素的復(fù)雜影響，這些內(nèi)在因素可能會干擾殼體同位素對環(huán)境信號的真實(shí)記錄。正如一位經(jīng)驗(yàn)豐富的譯者必須深入理解原文的語境與背景，科學(xué)家們也需要系統(tǒng)掌握蝸牛的機(jī)制與生命過程，才能從殼體化學(xué)組成中正確還原出其所承載的環(huán)境信息。
實(shí)驗(yàn)室里的精心培育
為了探究這一科學(xué)問題，研究團(tuán)隊(duì)首先在實(shí)驗(yàn)室開展了精心設(shè)計的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。他們選擇了非洲大蝸牛（Achatina fulica）作為研究對象，這種蝸牛因其生長迅速、體型較大而成為理想的實(shí)驗(yàn)動物。在中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所的實(shí)驗(yàn)室里，研究人員為這些蝸牛創(chuàng)造了一個舒適的環(huán)境：溫度保持在23.7±0.4攝氏度，相對濕度維持在90%左右，每天投喂新鮮生菜作為食物來源，并提供黃土粉末作為鈣源。
研究團(tuán)隊(duì)分別在蝸牛孵化后的第一個月、第三個月和第五個月采集殼體樣品，代表了幼年、亞成年和成年三個生長階段。通過高分辨率的同位素分析，他們發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：成年蝸牛殼體的δ18O值比幼年個體最高可富集0.8‰。這種差異并非源于外界環(huán)境的變化——畢竟實(shí)驗(yàn)室條件是恒定的——而是與蝸牛體內(nèi)的生理過程密切相關(guān)。
掃描電子顯微鏡下的觀察進(jìn)一步揭示了這一現(xiàn)象的微觀基礎(chǔ)。幼年蝸牛的殼體厚度僅為46.9微米，結(jié)構(gòu)相對松散；到了三個月大時，殼體增厚至114微米，內(nèi)部的交錯板狀結(jié)構(gòu)開始變得規(guī)則；而五個月大的成年蝸牛，殼體厚度達(dá)到356微米，呈現(xiàn)出致密而有序的交錯板狀結(jié)構(gòu)。這種殼體礦化程度的變化，以及伴隨生長而發(fā)生的新陳代謝過程的改變，共同造成了同位素組成的差異。
（a）實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的不同??階段的?洲?蝸?（Achatina fulica）；（b）蝸?殼體形態(tài)參數(shù)測量示意圖。
（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）
攀枝花的野外驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)固然重要，但自然界的情況是否也是如此呢？為此，研究團(tuán)隊(duì)將目光投向了四川攀枝花地區(qū)。這里地處青藏高原東南緣，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫16.21攝氏度，年降水量839.44毫米，具有明顯的干濕季節(jié)變化。每年6月至10月為濕季，11月至次年5月為干季，這種季節(jié)性的氣候變化為研究提供了天然的實(shí)驗(yàn)場。
研究人員從同一微生境（不足50平方米的區(qū)域）采集了8只不同大小的野生蝸牛（Lissachatina fulica），包括2只成年個體和6只未成年個體。通過對這些蝸牛殼體進(jìn)行系列采樣，共獲得了335個亞樣品進(jìn)行同位素測量。結(jié)果表明，盡管不同年齡個體的δ18O絕對值存在差異，但它們的序列變化趨勢具有高度一致性，主要反映了降水δ18O的季節(jié)性變化。
特別引人注目的是，野外蝸牛殼體的δ18O變化幅度遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的個體。最大的一只蝸牛（PZH shell-1）的殼體內(nèi)δ18O變化范圍達(dá)到7.01‰，清晰地記錄了干濕季節(jié)的轉(zhuǎn)換。殼口附近（最年輕的部分）顯示出相對正的δ18O值，表明它記錄了冬季的高δ18O降水；相鄰的殼段顯示出較低的δ18O值，對應(yīng)著夏秋季節(jié)的濕潤時期；而殼體中部最正的δ18O值則反映了前一年干季的生長。通過這種方式，研究人員甚至能夠估算出蝸牛的生長年齡，發(fā)現(xiàn)基于δ18O的年代學(xué)比簡單依靠物理尺寸更為可靠。
室內(nèi)培養(yǎng)的不同??階段的Achatina fulica SEM圖像。
（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）
碳同位素里的飲食密碼
除了氧同位素，碳同位素（δ13C）也蘊(yùn)含著豐富的環(huán)境信息，主要反映蝸牛的食物來源。在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下，研究發(fā)現(xiàn)亞成年和成年個體的殼體δ13C值比幼年個體富集約1.3‰。由于所有蝸牛都喂食相同的生菜（C3植物，δ13C約為-27.5‰），這種差異不能用食物變化來解釋。
通過仔細(xì)分析，研究人員推測這種富集與碳酸鹽攝入比例的增加有關(guān)。幼年蝸牛對碳酸鹽的需求較少，其殼體碳主要來源于食物代謝；而隨著生長，蝸牛需要更多的碳酸鹽來構(gòu)建日益增大的殼體，因此攝入的無機(jī)碳酸鹽（δ13C = -5.7‰）比例增加，導(dǎo)致殼體δ13C值的富集。這一推測得到了放射性碳（14C）測量結(jié)果的支持，顯示碳酸鹽攝入在生長中期達(dá)到峰值。
野外蝸牛的δ13C值范圍為-15.15‰至-10.05‰，考慮到約13‰的分餾效應(yīng)和約1.3‰的碳酸鹽攝入貢獻(xiàn)，推算出蝸牛食物的δ13C值為-29.45‰至-24.45‰，完全落在C3植物的典型范圍內(nèi)（-34‰至-20‰）。這表明盡管攀枝花地區(qū)處于季風(fēng)氣候區(qū)，可能存在C4植物，但這些蝸牛主要以C3植物為食。有趣的是，δ13C剖面呈現(xiàn)出明顯的U型模式：早期和晚期生長階段顯示負(fù)值，而中期生長階段相對富集，這種模式在實(shí)驗(yàn)室和野外樣品中都能觀察到，進(jìn)一步證實(shí)了碳酸鹽攝入隨個體發(fā)育的變化規(guī)律。
從微觀到宏觀的啟示
這項(xiàng)研究的意義遠(yuǎn)不止于理解蝸牛的生長過程。通過系統(tǒng)探討殼體同位素在個體發(fā)育過程中的變化規(guī)律，研究團(tuán)隊(duì)為利用陸生蝸牛殼體進(jìn)行高分辨率古氣候重建提供了重要的現(xiàn)代標(biāo)定框架。
研究表明，雖然生理因素確實(shí)會對同位素信號產(chǎn)生一定影響，但在自然條件下，環(huán)境信號仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。野外蝸牛殼體的δ18O序列能夠清晰地反映季節(jié)性降水變化，生理效應(yīng)的干擾相對較小。這意味著，通過分析化石蝸牛殼體的高分辨率同位素記錄，我們可以重建過去的季節(jié)性氣候變化，甚至捕捉到亞季節(jié)尺度的氣候事件。
對于δ13C而言，雖然其解釋相對復(fù)雜，需要考慮碳酸鹽攝入和攝食選擇性等因素，但它仍然是重建古植被類型的有效指標(biāo)。特別是在純C3或純C4植被環(huán)境中，δ13C信號可以提供明確的植被信息。
展望未來的研究之路
陸生蝸牛作為陸地環(huán)境的“微型氣象站”，其殼體同位素記錄為我們打開了一扇了解過去氣候變化的窗口。這項(xiàng)研究不僅深化了我們對蝸牛殼體同位素分餾機(jī)制的認(rèn)識，也為利用這一指標(biāo)進(jìn)行古環(huán)境重建提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
隨著分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來我們或許能夠?qū)崿F(xiàn)更高的時間分辨率，甚至達(dá)到周或日尺度的氣候重建。同時，通過研究不同種類蝸牛的同位素特征，結(jié)合其他古氣候指標(biāo)，我們將能夠更全面地重建地球歷史上的氣候變化，為理解當(dāng)前的全球變化提供歷史借鑒。
正如那首兒歌所唱：“蝸牛背著那重重的殼呀，一步一步地往上爬。”這些小小的軟體動物，用它們獨(dú)特的方式記錄著地球的呼吸與脈搏。而科學(xué)家們，則像偵探一樣，從這些精巧的螺旋結(jié)構(gòu)中，一點(diǎn)一點(diǎn)地解讀出大自然書寫的氣候日記。在這個過程中，我們不僅增進(jìn)了對自然界的理解，也更加感嘆生命與環(huán)境之間那種微妙而深刻的聯(lián)系。
參考文獻(xiàn)：
【1】Zong, Xiulan et al. “Intra-shell stable isotopes in land snail as proxies of seasonal climate variability: Ontogenetic evidence from cultured and field specimens.” Geoscience Frontiers (2025): n. pag.
出品：科普中國
作者：吳剛（中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院）
監(jiān)制：中國科普博覽
