北极化石揭示我们未来的气候

七月的一个温暖的星期四，娜塔莉亚·雷布钦斯基和我划着皮划艇沿着渥太华附近的加蒂诺河逆流而上。天空点缀着蓬松的平底云朵，盛开的矢车菊从通往码头的老旧铁轨中探出头来。我们滑过一个废弃已久的海狸小屋，它的木棒被独特地切割成一定角度，杂乱无章地散落在河岸上，沉入波旁酒色的河水中。

雷布钦斯基（发音为rib-CHIN-ski）是加拿大的官方野生动物吉祥物海狸的忠实粉丝；她的研究表明它们一次只用一颗门牙啃咬树枝。但我们2013年的这次河上之旅是一次补偿性的旅行。通常她会在数百万年前位于北极圈以北800英里的一个海狸池塘遗址度过她的七月，寻找过去全球变暖的线索。

但今年夏天，古生物学家雷布钦斯基因一次越野滑雪事故导致脑震荡，只能待在她的基地——渥太华的加拿大自然博物馆休养。她宁愿穿着Gore-Tex外套，用头巾包着波浪形的棕色头发，指甲被泥土弄得发紫，身处埃尔斯米尔岛寒冷干燥的苔原上。

今天，位于格陵兰岛旁、加拿大北极群岛东缘的埃尔斯米尔岛，只生长着脚踝高的棉草和苔藓地被植物；最近的树木在近1200英里以南。但雷布钦斯基和她的同事们从一个被称为中上新世暖期的时期（大约300万到330万年前）发现了北极地区气候更加温和的证据。岛上保存在永久冻土中的大量化石宝藏表明，该地区曾是一片古老的北方森林，生长着落叶松、雪松和桦树，并有小型海狸、三趾马和黑熊祖先在此吃草。

这些化石就像一份可以解析的文本，不仅能指示过去的气候，还能指示未来的气候，这使得团队的工作对气候建模者和古生物学家都同样重要。

监测数据显示，北极地区的气温升高幅度已超过地球其他地区。在过去的一个世纪里，地球陆地平均升温约1摄氏度（约2华氏度），而北极地区的陆地温度平均上升了近2摄氏度（3.6华氏度）。但迄今为止，当气候建模者试图预测北极未来的变暖时，数字却低于预期；由于尚未完全理解的原因，它们未能反映该地区加速变暖的趋势。这意味着目前北极的气候模型无法准确预测该地区的未来。如果预测过于不稳定，无法告诉我们随着地球变暖会发生什么，那么唯一的替代方案，正如雷布钦斯基指出的，就是“等待100年，看看会发生什么”。

幸运的是，在中上新世暖期，地球大气中的二氧化碳浓度与我们目前正朝着的全球平均温度上升2到3摄氏度（3.6到5.4华氏度）的情况相同。科罗拉多州博尔德市北极与高山研究所所长詹姆斯·怀特说，中上新世暖期与我们即将面临的新常态有着惊人的相似之处，为绘制未来变暖图景的建模者提供了宝贵的参考。“有时地球会帮我们一个忙，这就是其中之一。”

虽然今天的二氧化碳水平——接近全球平均每百万分之400——主要是由于人类燃烧化石燃料造成的，但300万年前影响气候系统的物理因素在今天表现相同。埃尔斯米尔岛的化石是“实地证据”，可以填补未来气候变化模拟中的空白。我们对预期变化以及它们到来速度的了解越多，我们就能更好地做好准备。

“我们正试图了解我们对地球大气和海洋所做的一切将在未来如何演变，”贝特·奥托-布利斯纳说。她在博尔德国家大气研究中心的一台名为“黄石”的超级计算机上运行一个具有150万行代码的完整复杂气候模型。“我们对模型的信任程度取决于我们重现过去气候的能力。在这个案例中，‘过去’就是上新世。”

雷布钦斯基和她的团队有很多工作要做。要捕捉中上新世“孪生”气候的完整图景，需要从稀疏的遗骸碎片中重建整个北极古环境。这意味着要对共存的生物和植被、降雨和森林火灾模式等所有事物进行编目。这意味着要追踪景观变化和洋流的漩涡，并唤起上新世海冰的幻影。

从零星的化石中拼凑出气候，是终极的法医工作。但是雷布钦斯基知道，这个案件对于解决至关重要——而且时间不在她这一边。

虽然气候变化最严重的后果尚未到来，但北极地区气温升高的证据已经比比皆是。在埃尔斯米尔岛南端一个名为格赖斯峡湾的村落，其因纽特语名称意为“永不解冻的地方”，当地因纽特人眼看着支撑他们传统海豹、北极熊和鲸鱼狩猎的海冰每年都在减少。政府间气候变化专门委员会警告称，到2050年之前，北极地区在夏季很可能将无海冰。

“北极的变化代表了我们一生中最重要的自然历史事件，”加拿大自然博物馆首席执行官梅格·贝克尔说，该博物馆为团队价值8万美元的极地考察提供支持。“这很戏剧性。100年后它会是什么样子？”

重塑过去

雷布钦斯基对北极化石的迷恋始于20世纪80年代末，当时她是一名高中生，师从导师C. 理查德·“迪克”·哈林顿学习古生物学。但直到1994年大学毕业后，她才加入当时博物馆第四纪动物学策展人哈林顿，参加了一次前往埃尔斯米尔岛的考察。两年前，他在岛上的海狸池塘遗址有了一个惊人的发现。发现该遗址的地质学家约翰·菲尔斯向哈林顿展示了来自埃尔斯米尔岛的海狸啃咬过的树枝——这清楚地表明该地点曾经是除了北极熊之外其他生物的家园——哈林顿想亲自看看这个地方。

在那第一次旅行中，在距斯特拉斯科纳峡湾口几百码的一处露头，他立刻捡起了地表上的三块骨头。

一块来自小海狸，另一块来自熊。大量海狸骨骼属于双门齿海狸，这种物种的体型是现代海狸的三分之二，曾在中国的遗址和爱达荷州被发现，可追溯到上新世时期。该遗址还出土了更多被海狸啃咬过的树枝和幼树。再加上发现的其他野生动物的多样性——青蛙、鱼类、小鹿、野兔——使哈林顿得出结论，大约在300万到400万年前，该遗址是一个被海狸筑坝的饮水点。

当时，这是一个相当激进的想法。“人们认为北极是一片古老的土地，一直都是这个样子，”雷布钦斯基说。但哈林顿却提出，“直到上一个冰河时代，你都拥有一片森林和如此多样化的哺乳动物，还有青蛙、鱼类等等！”化石证据难以忽视。它似乎来自包括中上新世暖期在内的大致时间段。但他们并不完全确定。

到21世纪初，雷布钦斯基在杜克大学攻读博士学位，研究海狸进化。但她的思绪总回到高北极地区。她和哈林顿对那些骨头的解读是否正确？它们真的来自中上新世吗？她知道，一片森林要想繁茂生长，需要的温度远不止几度。那么，恒温器究竟升高了多少呢？

为了找到这些答案，雷布钦斯基转向了另一位杜克大学的研究生阿什·巴兰坦，他正在利用树木年轮中的氧同位素来确定历史温度。有一天，她在他的实验室工作台见到他，递给他一小块落叶松树干圆盘，上面有大约20个生长环。“很酷的标本，”巴兰坦回忆当时的想法，但并不特别。“然后她告诉我这可能已有350万年的历史，并问我是否能从中提取一些气候信息？”

根据木材明显的“新鲜”程度，巴兰坦认为可以。它上面还有树皮。埃尔斯米尔岛永久冻土的自然深度冻结使木材木乃伊化。这意味着巴兰坦可以分离出纤维素，一种在植物生命周期中记录温度的结构分子。落叶松纤维素中两种氧同位素的比例将为巴兰坦提供一个温度范围。

他计算出海狸池塘的落叶松在年平均气温零下5.5摄氏度（22华氏度）下茁壮成长，这比今天的平均气温高出约14度。“这比之前对中上新世北极的估计要温暖，但这似乎更合理，”巴兰坦说，他现在是蒙大拿大学米苏拉分校的气候科学家。巴兰坦解释说，要使一片高产的森林生长，气温必须在一年中有一半时间保持在冰点以上。“我们直觉上知道这一点，”他说，而落叶松的数据证实了这一点。

雷布钦斯基和巴兰坦意识到，这棵落叶松可能经历了北极地区温度升高的时期，类似于我们即将进入的时期，而且它还可能包含了关于地球上其他情况的线索——如果这棵落叶松确实来自中上新世的话。雷布钦斯基意识到团队需要更强有力的证据，证明这些遗址确实是上新世的，包括永久冻土可能揭示的更多碎片。

碎片中的惊人发现

2003年，雷布钦斯基回到渥太华，基本上接替哈林顿在博物馆的工作，当时哈林顿已半退休。在博物馆的支持下，她的团队于2006年再次前往埃尔斯米尔岛，在海狸池塘遗址以南仅6英里处的一个名为菲尔斯叶床的区域工作。

三人小组蹲伏在陡峭的山脊上，仔细搜寻着沙砾和落叶层。最后一天，雷布钦斯基遵循她自己的座右铭——“捡起所有东西！”——她从泥土中捡起一块看起来像是骨头或木乃伊化木材的碎片。她用卫生纸包好，然后徒步带回营地。坐在厨房帐篷的桌子旁，她确认那块碎片确实是骨头。

受到这一发现的鼓舞，团队两年后又回来了，又发现了更多碎片——足以让他们像拼图一样在厨房帐篷里拼凑起来。雷布钦斯基可以判断她拥有骨头的完整厚度，从外表面到中空。这种解剖学测量，即骨皮质厚度，与整体体型成比例。

不管这东西是什么，它都巨大无比。

当雷布钦斯基回到实验室，从一块碎片的末端锯下一小片时，她闻到了一股微弱但 unmistakeable 的烧焦肉味。“噢，那是胶原蛋白，”她回忆道，“那真是太有趣了。”

像DNA一样，胶原蛋白也包含一个序列，可能有助于揭示动物的身份。雷布钦斯基希望她能在森林地面的落叶松针和松果中找到另一种生物。“这有可能与我们（从海狸池塘遗址）所知的任何东西都不同，甚至比熊还要大，”她说，“当然，我有点好奇。”

次年，即2009年，雷布钦斯基遇到了恰好能解开谜团的人。迈克尔·巴克利完善了一种新的胶原蛋白指纹技术来识别化石。雷布钦斯基问这项技术是否能用于她的神秘野兽。他说，胶原蛋白在高北极地区可能存活数百万年，但还没有人成功测试过如此古老的样本。

雷布钦斯基将样本送到了巴克利在英国曼彻斯特大学的实验室。当他将胶原蛋白读数与他已测序的32个物种进行比较时，巴克利发现它与一个通常不与北极相关的类群最为接近。

他给雷布钦斯基发了电子邮件：“它看起来像骆驼科动物。这好吗？”

“好？简直难以置信！”她回复道。

雷布钦斯基知道这个科，包括骆驼、美洲驼和羊驼，在北美洲进化后传播到南美洲、亚洲，最终到达非洲。但这种动物生活在比之前发现的任何亲属更北745英里的地方。他们可能发现了第一只在森林中漫游的骆驼。

为了确定，2010年她再次前往菲尔斯叶床寻找更多骨头。这次，考察队又回收了更多碎片——总共30块——这些碎片提供了一些解剖学线索。通过分析这些碎片，雷布钦斯基意识到它们构成了一只巨型骆驼的单根胫骨，比其现代表亲大30%左右。

这只九英尺高的骆驼可能侧向咀嚼桦树叶，其张开的脚在半年的黑暗和半年的极昼中艰难地跋涉于雪地。对我们大多数人来说，这是一个奇怪的景象，但对雷布钦斯基来说，这更进一步证明，过去北极地区气候更温暖，树木繁茂，生物多样性更高。

“如果你不经意间走过”那个过去的北极，雷布钦斯基说，“那感觉就像一片北方森林，只是有些许不同——包括一只骆驼。”

时间上的精准定位

雷布钦斯基利用了所有推断和尖端技术，从那些不起眼的碎片中辨认出骆驼的身份。然而，她仍然无法确定它是否来自中上新世。尽管埃尔斯米尔岛的化石与其他上新世的标本相符，但上新世跨越了大约300万年。如果没有更精确的日期，就不可能从这些化石中构建出有意义的气候故事。

一个区域的气候取决于许多变量：陆地和海洋温度、陆地的形状、洋流在全球范围内的混合方式，甚至地球轨道的轨迹。即使偏离一百万年——地质时间中的一瞬——也可能极大地改变这些因素。团队需要一个更窄的时间窗口。

为了获得这个时间戳，雷布钦斯基向新斯科舍省达尔豪斯大学的地质学家约翰·戈斯寻求帮助。他完善了一种可以可靠地测定800万年前沙子的年代技术，她希望他能从埃尔斯米尔岛的沙子中提取出精确的信息。但戈斯对该遗址的年代有所怀疑。

“怀疑？我当然怀疑，”他回忆道。在他看来，该遗址与上一个冰河时代的冰川沉积物太过靠近，后者覆盖在倾斜的火星般山丘之上。那会使它只有3.5万年的历史。而且，他说，该遗址是沙质的，“就像你最喜欢的海滩一样”，没有数百万年前遗址常见的压实作用。

戈斯小心翼翼地挖入骆驼骨发现地下面的山坡，挖出了一个2公斤（4.5磅）的沙块。当他把它带到实验室时，戈斯从样本中分离出石英，然后化学挤压出微量的铝-26和铍-10同位素。铝的衰变速度是铍的两倍；沙子埋藏的时间越长，它们的比率就越低。

这些样本的比例告诉他，这只骆驼在大约380万年前漫游，而海狸在大约340万年前筑坝，误差在50万年之内——这个年龄范围足够精确，可以将它们置于中上新世暖期的中部。

“这个年代与迪克·哈林顿预测的完全一致，”戈斯说。“得知我们有一种独立的方法来验证它，我感到非常欣慰。我很高兴我没有和他们打赌。”

与此同时，巴兰坦和雷布钦斯基召集了了解多种确定过去温度方法的研究人员，从植物和土壤细菌化石中计算代理指标。三个不同的数据集指向同一个数字：年平均气温比今天的北极温暖34华氏度。

这样的平均值将把零度以上的生长期从5月延长到9月。上新世的动物、植物和微生物都讲述着同一个故事：它们生活在一个类似北方森林的生态系统中，与现今存在的任何生态系统都不同。（最近的现代例子是东西伯利亚泰加林，以落叶松为主，栖息着麋鹿、鼬和狼獾。）

虽然中上新世全球平均气温仅上升3.6到5.4华氏度，但北极却是一个完全不同的世界。“所以问题是，是什么放大了北极的温度？”巴兰坦问道。

他最好的猜测是海冰，或者说是海冰的缺失，起到了重要作用，这要归因于所谓的反照率效应。闪耀的白色海冰将大部分太阳能反射回太空。而在没有海冰的地方，黑暗的海水吸收了90%的入射能量，使其升温。这种热量最终限制了海冰的重新形成，并对附近的陆地产生了增温影响。

巴兰坦的下一个挑战是查明加速上新世海冰融化的机制。巴兰坦说，这并非易事。过去的海冰留下的痕迹甚至比巨型骆驼还要少。但一项有趣的新研究表明他走在了正确的轨道上。2013年夏天，巴兰坦和他的前导师，北极和高山研究所的怀特进行了一项“如果”实验。

“嗯，那好吧，让我们把冰都移开，看看会发生什么，”怀特回忆起团队当时的想法。他们运行了一个上新世气候模型，其中全年移除了北极所有的冰。与之前的上新世模型不同，这个“无冰”版本得出的加拿大北极和格陵兰岛的平均年气温比今天高出18到27华氏度，更接近从地面历史数据中提取出来的信息。

研究人员必须解决上新世模型与现实之间的不匹配问题。“这是一个未来关键的问题，”怀特说，“因为我们正走向上新世气候。”

展望未来

2013年雷布钦斯基在渥太华休养期间，戈斯和考察队继续寻找拼图碎片，这次他们前往班克斯岛最西端，寻找上新世的居民并对那里的遗址进行测年。

团队带回了足够装满两捧骨头和几桶沙子用于测年。他们认为其中一块骨头可能来自另一只骆驼，但目前尚不清楚它是否追溯到上新世或更近的冰河时代。这些来之不易的碎片在外人看来可能并不引人注目。但正如戈斯所解释的，每一块都为局部发生的情况提供了一个数据点，可以与全球记录联系起来。

一旦他的团队将高北极地区的所有地点按时间排序，那么所有丰富的数据——野外笔记、化石、昆虫和植被清单——都可以帮助气候建模者解决他们的大问题。他们将获得中上新世古气候的详细图像。然后，他们可以解出X，找到造成这种温暖的气候条件，就像无冰实验一样。

“我们一直在不断开发模型，使其越来越好，”奥托-布利斯纳说。她和巴兰坦接下来想研究森林火灾灰烬如何影响上新世气候。雷布钦斯基的遗址可能持有答案。

她一直渴望回到菲尔斯叶床，那里木炭般的黑色落叶层代表着数千年的年度周期。其中隐藏着植被和野火季节如何随温度变化的故事。

对于雷布钦斯基和其他试图解决这个气候难题的人来说，时间似乎正在加速。2013年5月9日，夏威夷莫纳罗亚天文台记录到二氧化碳浓度首次攀升至400 ppm以上。我们正稳步迈向全球年平均值超过该阈值——以及上新世气候。未来开始变得非常像过去；只不过这次，70亿人将感受到热浪。

这其中也包括雷布钦斯基。北极永久冻土的融化让她既沮丧又欣喜。滑坡的山坡留下了一条条破碎的土地，揭示了新的发掘地点。但解冻也可能意味着埃尔斯米尔岛保存完好的化石的终结。

“这是一把双刃剑。我们可能会失去海狸池塘遗址，但我们发现了这些新遗址，”雷布钦斯基说。“这确实给了我一种紧迫感——完成这项工作并把它做好。”

[本文最初以“悬案”之名刊载于印刷版。]