硅藻檔案館帶我們回到千百年前

編譯 苦山

賓夕法尼亞州費城德雷塞爾大學自然科學院館藏的大量硅藻也許不如許多自然博物館里的大型動植物標本亮眼，但它們是過去環境的檔案

坐落在賓夕法尼亞州費城市中心，美國德雷塞爾大學自然科學院散發出一種雜亂、珍奇的氣質。它的新古典主義立面上隨處可見自然主題裝飾——大門兩側擺著菊石化石、扶手卷曲成蕨類植物的模樣、銅制門把手形似朱鹮的頭骨。作為西半球最古老的自然科學機構，科學院積累了大量非凡的標本。這里收藏著約1 900萬件標本，其中有從劉易斯與克拉克遠征途中采集的植物、歐內斯特·海明威釣上來的藍槍魚，以及美國第一具架設起來展出的恐龍骨架。

科學院里許多極為不起眼卻極有影響力的珍藏被存放在二樓的一片辦公室區域，里面擺滿了笨重的收藏柜和顯微鏡。在其中一臺顯微鏡旁邊，館長瑪麗娜·波塔波娃（Marina Potapova）打開了一個筆記本大小的塑料容器，里面塞滿了玻璃片。在外行人看來，這些平平無奇的玻片似乎臟兮兮的——每一張看起來都像是被臟手指抹過。

但是當波塔波娃拿出一張玻片放到顯微鏡鏡頭下時，玻片里的內容就讓人眼花繚亂起來：幾十種硅藻形狀各異地固定在了玻片里。硅藻是微小的單細胞藻類，包裹在堅固的二氧化硅質細胞壁里，只要有水的地方就能找到。

有些硅藻形狀長如法棍面包或是扁平如茶托，另一些則彼此勾連，看起來像半透明的蜈蚣。還有一些像魚叉一樣有著倒鉤，或是狀若矮胖的海星。有些甚至像是華麗的彩色玻璃花窗。在顯微鏡下，幾滴渾濁的池水變成了包羅硅藻多樣性的萬花筒。

硅藻的美令人印象深刻。但它們在生態層面的重要性驚人到讓你難以置信。硅藻喂養著從微小的浮游動物到巨大的濾食性動物之間的一切，從而錨定海洋食物鏈網。舉個例子，科學家們推斷，鯨在大約3 000萬年前的出現反映了硅藻多樣性的激增。硅藻對大氣也有巨大的影響。作為地球上最為豐產的生物之一，硅藻吸收空氣中的二氧化碳等氣體，并在光合作用過程中生成大量的氧氣儲量。據估計，我們呼吸的空氣中有大約1/4是由硅藻產生的。

超過400萬件的重要藻類標本被貼在數以萬千計的玻片上，存放于科學院的硅藻標本室，這一數量在全球僅次于倫敦的自然博物館。

位于賓夕法尼亞州費城的德雷塞爾大學自然科學院擁有超過400萬件硅藻標本，位列世界第二

硅藻是一種由二氧化硅構成的浮游植物，形態各異，它是海洋食物鏈網的基礎，對地球大氣健康有著巨大的影響

硅藻不僅豐富多樣、生命力強韌，也是各種環境條件的重要晴雨表。某些硅藻物種的存在可以幫助科學家確定該處是否經歷了工業污染、氧氣枯竭等情況。波塔波娃和她的同事們最近使用了這些水環境的“時間膠囊”來測量海平面的加速上升如何威脅新澤西的沿海濕地。

由于相對缺乏環境監測，這些重要沼澤地（它們儲存了碳，為魚類提供育苗場，還在暴風雨來臨時成為海岸的緩沖帶）的歷史衰退在很大程度上湮沒了，使得對它們的修復工作幾乎全靠猜測來進行。

然而，科學院儲存的數以百萬計的硅藻正在幫助研究人員跟蹤海洋上升時沿海濕地的衰退情況，這或許有助于預測海岸的未來。“硅藻絕對是無價的環境檔案，”波塔波娃說，“從它們告訴你的有關過去的信息中，你可以推斷出未來。”

考慮到科學院的歷史，這棟數層樓的機構會成為硅藻研究的中心其實不足為奇。19世紀50年代，隨著顯微鏡技術得到推廣，費城的許多紳士博物學家被微小微生物的王國吸引，最終在科學院建立了費城顯微鏡學會。

因為美得驚人，硅藻在顯微鏡學會內掀起了一場風暴。這些硅藻學家中有許多人為了滿足自身的興趣，向東前往新澤西海岸線收集樣本，他們用穩定的手和豬睫毛做的刷子把樣本置于玻片上。愛好者們會聚到科學院，在午餐會上展示他們的玻片標本。

科學院的早期成員顯然對硅藻充滿了熱情，但他們多數都是業余愛好者，幾乎不曾對收集的大量標本發表過研究論文。1933年，當露絲·帕特里克（Ruth Patrick）來到科學院時，她要將每位收藏家參與匯編的大量玻片標本統一整理。事實證明，這是一項艱巨的任務。帕特里克的父親是一位業余硅藻學家，她在七歲時收到了自己的第一臺顯微鏡。帕特里克在童年時就早早地被硅藻吸引，并最終通過對微觀生物的研究獲得了博士學位。盡管她擁有科學專業證書，卻只得大材小用地為未經訓練的業余愛好者設置顯微鏡、擺放玻片標本。僅僅是在這個男性主導的科學院獲得會員資格就耗費了她數年時間。但她的堅持得到了回報，1937年，她成了新生的硅藻標本館的館長。

選取2016年3月～2018年12月在我院治療的冠心病心力衰竭患者70例作為研究對象，回顧性分析其臨床資料，其中，男41例，女29例，年齡56～75歲，平均年齡（68.31±3.16）歲，血型：A型14例，B型21例，AB型8例，O型27例。

帕特里克的第一個目標是將不同收藏集堆成的標本大雜燴整合成一批統一、全面的藏品，以便分類研究。沒在制作和整理玻片標本時，她會涉水走進附近的池塘和溪流，實地收集新的標本。在這些實地之旅中，她逐漸認識到硅藻的生態重要性。

這一認知在她1948年前往賓夕法尼亞州的康內斯托加河考察時明確成形。康內斯托加河的水體遭到了污水和工業廢水的嚴重污染。隨著她的團隊在整條小溪的范圍內收集樣本，她發現硅藻的種類構成存在某種模式。一些物種的密度在受污水污染的區域急劇增加，另一些物種則在受化學品污染的區域蓬勃生長。很快，帕特里克就能熟練地將某些硅藻的存在作為診斷湖泊和河流污染的關鍵。這為“硅藻種類越多樣，淡水生態系統越健康”的觀點提供了支持——生態學家們把這一深刻的見解命名為帕特里克原理。

露絲·帕特里克是科學院硅藻館的首任館長，上圖攝于20世紀40年代，照片中的她正在處理硅藻藏品

帕特里克徹底改變了使用硅藻來監測淡水系統的做法，但用它們監測沿海濕地卻落后了一步。新澤西州生態環境部的研究科學家米哈埃拉·埃納什（Mihaela Enache）說，淡水和咸水在沿海地區（如河口）的交匯融合創造出了動態而復雜的棲息地，在這類區域中，內陸硅藻和海洋硅藻混合在一起。

但近幾十年來，海洋主導了曾經充滿活力的海岸邊緣，隨著海平面上升，海洋不斷向內陸推進。在過去的一個世紀里，新澤西沿岸的海平面上升了0.45米，是全球平均水平0.18米的兩倍多。到2100年，海平面可能上升超過一米。

事實證明，海平面的急劇上升對新澤西海岸線上交錯的沼澤地而言是災難性的，其中一些沼澤地已經被海水淹沒。然而，由于環境監測只能追溯到幾十年前，很難徹底、完整地解析這些濕地的流失程度。

如果缺乏對濕地自然條件的了解，對它做生態恢復將困難到令人望而卻步。埃納什說，這些信息至關重要。“沒有它們，你就是兩眼一抹黑。”謝天謝地的是，這些丟失的數據有一部分被記錄在了科學院的那一大堆硅藻中。

和大多數沿海地區一樣，海平面上升對新澤西州來說毫不陌生。在更新世時期，新澤西還被冰層覆蓋，乳齒象棲居于此地，當時大量的海水結成了海冰。大約18 000年前，海平面比現在低了130多米，新澤西的海岸線因此向大西洋推進了110公里之遠。

上一個冰河時代的結束引發了海平面的穩步上升，冰蓋的消退導致新澤西部分地區下沉。根據羅格斯大學的海平面研究員詹妮弗·沃克（Jennifer Walker）的說法，證據證明，這種沉降加上冰川的融化共同導致了海平面的快速上升。

在2021年發表的一份研究報告中，沃克通過回顧過去，來將新澤西州目前的海平面上升置于一個更大的背景中。“如果我們能夠了解，在過去，溫度、大氣層和海平面的變化是如何相互關聯在一起的，我們就可以用這些知識來預測未來的變化。”

為了測量過去2 000年間海平面的波動，她的團隊檢查了一類被稱為有孔蟲的單細胞原生生物的外殼，這類生物只能生活在特定的環境條件中，這使它們成為重構海平面變化的重要指標。通過檢查在新澤西海岸不同地點收集的沉積巖芯，從中辨識出特定的有孔蟲物種，她的團隊得出結論稱，新澤西海岸正在經歷兩千年以來海平面上升最快的時期。

新澤西州生態環境部希望可以將硅藻作為一種類似的工具來幫助理解沿海沼澤對海平面上升的反應。像有孔蟲一樣，每種硅藻對環境條件都極其敏感。例如，像搟面杖形的小頭菱形藻這樣的物種會在富含氮的環境中茁壯成長，它們的外殼因此成了營養鹽污染的常見標志。其他物種，比如多節殼形似細長三葉蟲的施密斯雙壁藻，則喜歡鹽水。它們在內陸的存在是過去海平面曾經入侵的有效證據，有助于研究人員推斷過去哪些沼澤地容易發生淹水。

為了確定這些微觀指標曾經存在于何處，新澤西州生態環境部部署了一組研究人員進入沿海的幾片沼澤地，范圍橫跨北部嚴重污染的濕地到南部近乎原始的潮汐沼澤。在每個地點，他們都從沼澤淤泥中取芯，在某些地方取樣深達兩米。埃納什把這種方法比作從上至下切進一沓煎餅——你切得越深，實際上就是越往過去回溯，從剛拿出鏊子、熱氣騰騰的煎餅回到了壓在煎餅堆最底下、已經受潮發軟的煎餅。隨著研究人員們往深處挖掘，他們也就回到了幾十年前。他們總共從五片濕地收集了九個巖芯。

新澤西州生態環境部隨后將沉積巖芯送往費城，在那里，波塔波娃和她的碩士生尼娜·德西安蒂（Nina Desianti）測量了新澤西沿海濕地內各個時間段的硅藻多樣性。德西安蒂處理硅藻標本的第一步是將沉積物樣本浸泡在強酸中，溶解除硅質殼以外的所有物質，然后將它們粘在玻片上。這步做完，五片沼澤中每一片沼澤的環境歷史都被安放在了數千玻片之上。隨后，她們利用科學院內已經分好類的標本，玩一場用顯微鏡找出誰是誰的游戲。但是，就連龐大的硅藻標本館也無法給出所有的答案——德西安蒂估計，從濕地收集的900多種硅藻中，有1/3以上是科學界此前未發現過的新物種。

瑪麗娜·波塔波娃是德雷塞爾大學自然科學院的館長，她正在為硅藻取樣

德雷塞爾大學自然科學院的一間實驗室里，波塔波娃正在檢查從海岸取樣的硅藻

2019年，這份極其繁重的工作孕育出了一本名為《新澤西沿海濕地硅藻類群 》（Diatom Flora of the New Jersey Coastal Wetlands）的巨著。對于外行人來說，這是一部由令人生畏的拉丁文學名和激動人心的電子顯微鏡照片交織而成的驚人之作，描繪了硅藻那無限小的榮光。對埃納什而言，這是解讀新澤西濕地衰退的關鍵。通過將硅藻物種的組成和現代的濕地條件輸入建模程序，埃納什就能說明某片濕地曾經的樣子。她說：“硅藻是非常珍貴的環境檔案，因為我們可以借助它們回到過去——那時沒人去測量營養物質，沒人去測量酸堿值——而且真的可以利用硅藻物種得到完整的數字。”這些數據幫助她記錄下新澤西水體中許多物質的增長，包括農業營養物質和工業化學物，這些數據可以一路追溯到17世紀中葉，當時歐洲人剛到達此處、剛開始徹底地改造新澤西。

不過，盡管硅藻為我們提供了一扇觀察新澤西沼澤地衰退的窗口，但對德西安蒂來講， 它們也讓她得以一窺環境的韌性。正如研究小組利用不同硅藻的耐鹽性來繪制過去海平面上升的情況一樣，他們也可以利用微小的藻類來推斷這些沼澤曾經如何應對海水的倒灌。

作為棲息地時，沼澤的動態變化尤為顯著。作為陸地和海洋之間的濕軟屏障，沿海沼澤里有著大量的沉積物，它們垂直堆積以保持自身高于上升的海平面。當海平面上升的速度超過沉積物的積累時，沼澤就會退向內陸，流入沿海森林。當沼澤中的咸水滲入地下水時，會殺死樹木，形成生態學家所說的滿是干枯樹皮的“幽靈森林”。

盡管沿海沼澤天然具有很強的可塑性，但人類活動產生的影響已使它們變得脆弱不堪。在新澤西州，大壩濾出沉積物，奪走了沼澤地的“建造材料”，被逼退的沼澤地卻又撞上了鋪好的道路和度假屋。“為了建立棲息地，鹽沼不得不與我們競爭。”德西安蒂說。如今，她受威斯康星州立衛生實驗室之托，利用硅藻來追蹤營養鹽污染，“結果，這些鹽沼受到了上升海平面和人類壓力兩頭的擠壓。”

波塔波娃和德西安蒂收集、鑒定的硅藻不僅有助于新澤西州生態環境部了解新澤西沿海濕地對過去幾次海平面上升的反應，還有助于他們了解如何恢復這些充滿活力的生態系統。

你越往深處鉆研池塘淤泥，找到的硅藻就越趨于多樣化，正如露絲·帕特里克幾十年前推斷的那樣，這是生態系統健康的標志。當你檢查巖芯中更近期的片段，這種硅藻多樣性經常會減弱，與之相伴的是某些特定物種（比如喜鹽的海洋硅藻）占據了主導地位。搞清楚這些喜鹽物種在哪里最為多見，就能揭示哪些生態系統已經屈服于海平面上升，又有哪些恢復工作（例如輸入沉積物）最為急需。

硅藻并不是海平面上升和污染等威脅的解決之法，而是有助于對抗它們的關鍵。它們揭示了遠在人們關注之前原始棲息地曾經的模樣，并告訴我們從當時到現在的數個世紀里到底出了什么岔子。為了制定成功的濕地恢復措施，咨詢這些微觀藻類的確是個明智之舉。

這就是為什么，波塔波娃和德西安蒂將她們在新澤西沿海沼澤收集的硅藻標本也做了歸檔，與帕特里克的標本一同收進了硅藻標本館的鋼柜。正如硅藻曾在沉積物中保存數千年，科學院儲存的硅藻標本將為未來的研究人員提供寶貴的數據點，以便他們了解污染和海平面變化。

“硅藻標本館是硅藻研究的寶貴資源，”德西安蒂說，“我確信在未來，即使在我離開之后，人們仍然會訪問這些藏品，繼續研究環境問題。”她相信，在存放于科學院深處的萬千張玻片標本中，有某些環境學領域的突破正等著被人破解。

資料來源Hakai Magazine