蝸牛殼，竟然藏着百萬年的氣候日記？
在地球環境科學研究中，科學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，其碳酸鹽質殼體中也蘊藏着豐富的環境信息。
最近，中國科學院地球環境研究所聯合西安交通大學全球環境變化研究院以及西安創新地球環境研究院，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展，揭示了殼體同位素序列對古氣候環境的深層指示意義。
小小蝸牛殼，大大氣候史
陸生蝸牛廣泛分佈於全球各類陸地環境，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。更令人驚歎的是，其碳酸鹽殼體在考古和地質記錄中能穩定保存數萬年至百萬年之久。如同樹木年輪記錄其生命歷程的環境變遷，蝸牛殼體中的氧同位素（δ18O）和碳同位素（δ13C）組成，也同樣承載着過去的降水狀況、植被類型及水文條件等關鍵環境信息。
然而，要準確解讀這些同位素信號並非易事。蝸牛在生長過程中會受到諸多生理因素的複雜影響，這些內在因素可能會干擾殼體同位素對環境信號的真實記錄。正如一位經驗豐富的譯者必須深入理解原文的語境與背景，科學家們也需要系統掌握蝸牛的機制與生命過程，才能從殼體化學組成中正確還原出其所承載的環境信息。
實驗室裏的精心培育
爲了探究這一科學問題，研究團隊首先在實驗室開展了精心設計的培養實驗。他們選擇了非洲大蝸牛（Achatina fulica）作爲研究對象，這種蝸牛因其生長迅速、體型較大而成爲理想的實驗動物。在中國科學院地球環境研究所的實驗室裏，研究人員爲這些蝸牛創造了一個舒適的環境：溫度保持在 23.7±0.4 攝氏度，相對溼度維持在 90%左右，每天投餵新鮮生菜作爲食物來源，並提供黃土粉末作爲鈣源。
研究團隊分別在蝸牛孵化後的第一個月、第三個月和第五個月採集殼體樣品，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，他們發現了一個有趣的現象：成年蝸牛殼體的 δ18O 值比幼年個體最高可富集 0.8‰。這種差異並非源於外界環境的變化——畢竟實驗室條件是恆定的——而是與蝸牛體內的生理過程密切相關。
掃描電子顯微鏡下的觀察進一步揭示了這一現象的微觀基礎。幼年蝸牛的殼體厚度僅爲 46.9 微米，結構相對鬆散；到了三個月大時，殼體增厚至 114 微米，內部的交錯板狀結構開始變得規則；而五個月大的成年蝸牛，殼體厚度達到 356 微米，呈現出緻密而有序的交錯板狀結構。這種殼體礦化程度的變化，以及伴隨生長而發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）實驗室培養的不同⽣⻓階段的⾮洲⼤蝸⽜（Achatina fulica）；（b）蝸⽜殼體形態參數測量示意圖。（圖片來源：參考文獻1）
攀枝花的野外驗證
實驗室的發現固然重要，但自然界的情況是否也是如此呢？爲此，研究團隊將目光投向了四川攀枝花地區。這裏地處青藏高原東南緣，屬南亞熱帶季風氣候，年均溫 16.21 攝氏度，年降水量 839.44 毫米，具有明顯的乾溼季節變化。每年 6 月至 10 月爲溼季，11 月至次年 5 月爲乾季，這種季節性的氣候變化爲研究提供了天然的實驗場。
研究人員從同一微生境（不足 50 平方米的區域）採集了 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行系列採樣，共獲得了 335 個亞樣品進行同位素測量。結果表明，儘管不同年齡個體的 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 的季節性變化。
特別引人注目的是，野外蝸牛殼體的 δ18O 變化幅度遠大於實驗室培養的個體。最大的一隻蝸牛（PZH shell-1）的殼體內 δ18O 變化範圍達到 7.01‰，清晰地記錄了乾溼季節的轉換。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，對應着夏秋季節的溼潤時期；而殼體中部最正的 δ18O 值則反映了前一年乾季的生長。通過這種方式，研究人員甚至能夠估算出蝸牛的生長年齡，發現基於 δ18O 的年代學比簡單依靠物理尺寸更爲可靠。
室內培養的不同⽣⻓階段的Achatina fulica SEM圖像。（圖片來源：參考文獻1）
碳同位素裏的飲食密碼
除了氧同位素，碳同位素（δ13C）也蘊含着豐富的環境信息，主要反映蝸牛的食物來源。在實驗室培養條件下，研究發現亞成年和成年個體的殼體 δ13C 值比幼年個體富集約 1.3‰。由於所有蝸牛都餵食相同的生菜（C3 植物，δ13C 約爲-27.5‰），這種差異不能用食物變化來解釋。
通過仔細分析，研究人員推測這種富集與碳酸鹽攝入比例的增加有關。幼年蝸牛對碳酸鹽的需求較少，其殼體碳主要來源於食物代謝；而隨着生長，蝸牛需要更多的碳酸鹽來構建日益增大的殼體，因此攝入的無機碳酸鹽（δ13C = -5.7‰）比例增加，導致殼體 δ13C 值的富集。這一推測得到了放射性碳（14C）測量結果的支持，顯示碳酸鹽攝入在生長中期達到峯值。
野外蝸牛的 δ13C 值範圍爲-15.15‰ 至-10.05‰，考慮到約 13‰的分餾效應和約 1.3‰的碳酸鹽攝入貢獻，推算出蝸牛食物的 δ13C 值爲 -29.45‰ 至 -24.45‰，完全落在 C3 植物的典型範圍內（-34‰ 至 -20‰）。這表明儘管攀枝花地區處於季風氣候區，可能存在 C4 植物，但這些蝸牛主要以 C3 植物爲食。有趣的是，δ13C 剖面呈現出明顯的 U 型模式：早期和晚期生長階段顯示負值，而中期生長階段相對富集，這種模式在實驗室和野外樣品中都能觀察到，進一步證實了碳酸鹽攝入隨個體發育的變化規律。
從微觀到宏觀的啓示
這項研究的意義遠不止於理解蝸牛的生長過程。通過系統探討殼體同位素在個體發育過程中的變化規律，研究團隊爲利用陸生蝸牛殼體進行高分辨率古氣候重建提供了重要的現代標定框架。
研究表明，雖然生理因素確實會對同位素信號產生一定影響，但在自然條件下，環境信號仍然佔據主導地位。野外蝸牛殼體的 δ18O 序列能夠清晰地反映季節性降水變化，生理效應的干擾相對較小。這意味着，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性氣候變化，甚至捕捉到亞季節尺度的氣候事件。
對於 δ13C 而言，雖然其解釋相對複雜，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。特別是在純 C3 或純 C4 植被環境中，δ13C 信號可以提供明確的植被信息。
展望未來的研究之路
陸生蝸牛作爲陸地環境的“微型氣象站”，其殼體同位素記錄爲我們打開了一扇瞭解過去氣候變化的窗口。這項研究不僅深化了我們對蝸牛殼體同位素分餾機制的認識，也爲利用這一指標進行古環境重建提供了堅實的理論基礎。
隨着分析技術的不斷進步，未來我們或許能夠實現更高的時間分辨率，甚至達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徵，結合其他古氣候指標，我們將能夠更全面地重建地球歷史上的氣候變化，爲理解當前的全球變化提供歷史借鑑。
正如那首兒歌所唱：“蝸牛揹着那重重的殼呀，一步一步地往上爬。”這些小小的軟體動物，用它們獨特的方式記錄着地球的呼吸與脈搏。而科學家們，則像偵探一樣，從這些精巧的螺旋結構中，一點一點地解讀出大自然書寫的氣候日記。在這個過程中，我們不僅增進了對自然界的理解，也更加感嘆生命與環境之間那種微妙而深刻的聯繫。
參考文獻
[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.
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出品丨科普中國
作者丨吳剛 中國科學院深圳先進技術研究院
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責編丨張一諾
審校丨徐來、張林林
