历史有孔虫标本库：监测人为气候变化的未开发宝库

《Revue de Micropaléontologie》：Historical foraminiferal collections as a resource for monitoring anthropogenic climate change

　　本文推荐了一项关于利用自然历史博物馆(NHC)中历史有孔虫(Foraminifera)标本库监测人为气候变化的研究。研究人员指出，当代环境数据难以全面评估人类活动对海洋生态的影响，而19世纪末至20世纪中期海洋考察收集的有孔虫样本提供了工业化前的重要基线数据。尽管存在样本可及性、处理方法不一致等挑战，但现代非破坏性成像、机器学习等技术极大提升了这些历史资源的应用潜力。该研究倡导加强历史微体古生物学标本的保存、数字化与战略性利用，为理解长期生态变化、支持海洋保护与气候减缓策略提供了关键科学依据。

　　

随着全球气候变化对海洋生态系统的影响日益加剧，科学家们迫切需要了解人类活动究竟在多大程度上改变了海洋环境。然而，一个根本性的难题摆在我们面前：当代的观测数据只能反映“已经发生变化后”的状态，我们缺少一个衡量变化的“基准尺”——即工业化之前、人类影响尚不显著的海洋原本面貌。这个基准数据的缺失，严重限制了我们准确评估当前环境变化的速度、幅度以及预测未来趋势的能力。正是在这一背景下，沉睡在全世界自然历史博物馆中的宝贵资源——历史微体古生物学标本库，其巨大价值正逐渐被重新发现。

为了破解基线数据缺失的难题，研究人员Laura J. Cotton和Helena L. Filipsson将目光投向了历史海洋考察中收集的有孔虫标本。有孔虫是一类通常具有钙质外壳（test）的原生生物，广泛分布于海洋的浮游和底栖环境中。它们数量庞大、对环境变化响应迅速，并且其外壳能够完好地保存在海底沉积物中，因此被誉为记录古海洋环境的“天然档案”。发表在《Revue de Micropaléontologie》上的这项研究，系统性地论述了利用历史有孔虫标本库重建海洋环境基线并监测人为气候变化的巨大潜力与可行路径。

研究人员在开展这项研究时，主要依托了几项关键技术方法。首先是历史标本的发掘与鉴定，其样本队列主要来源于19世纪末至20世纪中期的著名全球海洋考察，如英国的“挑战者号”(HMS Challenger)远征（1872–1876）、丹麦的“加拉太号”深海考察（1950–1952）和瑞典的“信天翁号”考察（1947–1948），这些考察系统采集了数千份海底沉积物和浮游生物样本。其次是应用现代非破坏性分析技术，如X射线显微计算机断层扫描(X-ray micro-CT)，用于对珍贵的历史标本进行高分辨率三维形态学分析而不损伤标本。此外，研究还强调了利用人工智能(AI)和机器学习(Machine Learning)技术（例如AutoMorph软件）对历史标本图像进行自动化物种识别和形态测量分析的未来方向，以高效处理海量数据。

1. 引言

人为气候变化正在全球范围内对海洋环境产生深远且可能是不可逆的影响。监测生物多样性、物种分布范围和形态等因子对于理解内在过程并预测未来生物群的变化至关重要。有孔虫作为常用的生物指示器，因其对环境变化的快速响应和良好的化石保存能力，成为重建过去环境的理想材料。然而，仅凭当代基线数据不足以理解人类引起的变暖和污染的影响，需要追溯到工业化前的扩展记录才能全面评估生态系统的演变轨迹。自然历史博物馆标本库蕴藏着跨越时空的丰富标本，但以往利用NHC进行环境变化的研究多集中于动植物标本，微体古生物学材料，尤其是有孔虫标本的潜力远未得到充分开发。历史上大规模的海洋考察留下了大量未研究的沉积物残留物和制备好的玻片，这些是当时海洋条件的“快照”，是填补知识空白的宝贵资源。

2. 有孔虫作为生物指示器

欧洲环境指令（如WFD）推动了海洋生态系统监测，有孔虫作为生物监测器的有效性日益凸显。与分布不均的大型生物相比，有孔虫能提供空间上更一致的记录，且其个体小、数量多，便于从少量样品中获得统计可靠的数据。研究表明，有孔虫能够有效追踪如原油泄漏等突发事件的生态响应与恢复过程，以及城市化等持续性变化的影响。它们保存在沉积物中的钙质和胶结质外壳，使得重建工业化前的生物群（包括分类单元、生物多样性、形态和地球化学特征）成为可能。

3. 历史有孔虫标本库在环境监测中的应用

尽管有研究通过整合旧文献和数据库（如FORCIS数据库）来评估人为影响，但这依赖于历史研究是否记录了当今关注的参数。因此，物理标本库和未发表材料仍具有独特价值。研究举例说明了利用NHC的成功案例：通过比较HMS Challenger expedition和现代Tara Oceans expedition的有孔虫，利用纳米CT扫描发现现代有孔虫外壳因海洋酸化而显著变薄；利用X射线显微CT非侵入性地检测Challenger样品中的有孔虫；利用19世纪标本研究马耳他地区近期入侵物种Amphistegina对当地有孔虫群落的影响乃至导致局部灭绝。这些案例展示了历史标本库在多样性监测方面的潜力。阻碍研究开展的因素包括标本库的可及性、样品处理历史的不确定性以及可能存在的时间混合（time mixing）问题。早期考察采样方法多样，可能导致不同时代沉积物混合，且不同来源的样品伴随信息质量不一。然而，这些挑战不应成为阻碍利用历史材料建立环境监测基线的理由。

4. 优势与现代方法学机遇

与沉积岩芯相比，NHC中的有孔虫样本通常在采集后很快干燥，避免了沉积物成岩过程中孔隙水化学对壳体造成的腐蚀和地球化学改变，也避免了现代钻探污染。许多历史样品，特别是大型考察采集的，伴有详细的位置和深度记录，易于整合入研究。利用历史标本库还能避免组织新海洋考察的高昂成本。现代非破坏性技术，如X射线显微CT，为详细的形态和分类学研究提供了可能。新兴技术如人工智能和机器学习，可用于开发基于历史样本的训练数据集，实现自动化物种识别，从而极大提升历史标本库在现代监测工作中的效用。

5. 未来建议

未来发展的关键在于标本库的数字化和持续 curation（管理维护）。提高这些藏品可见度至关重要，长期数字化是必由之路。应加强博物馆与科研机构间的合作，建立连贯的时间序列数据集，协调再采样和比较研究。同时，倡导持续扩充这些藏品，鼓励当今的研究者妥善存档其样品和残留物，为未来积累环境变化的记录。

6. 结论

历史微体古生物学标本库是独特且重要的资源，为理解人为气候效应对海洋生态系统的影响提供了无价的档案。通过解决可及性和方法学挑战，并应用现代分析技术，这些藏品能够提供关于前工业化条件的关键信息。这对于未来预测生态系统演变轨迹以及更好地指导保护和减缓策略至关重要。

综上所述，这项研究有力地论证了历史有孔虫标本库在应对当今全球环境挑战中的不可替代作用。它不仅是连接过去与现在的桥梁，更是指引未来海洋保护与气候变化研究方向的灯塔。通过唤醒这些沉睡的“时光胶囊”，我们有望更清晰地描绘出人类世（Anthropocene）的海洋生态图景，为可持续的未来提供科学基石。