张永红 2007年12月20日 14:03
一般人都会感觉到不同的年份之间气候条件会有变化，而更长周期的气候变化在自然界也明显存在。对大多数人来说，都更关心今后气候变化的趋势。但是，过去是未来的一面镜子，要能做到准确地预测未来的情况，我们必须了解气候的历史变化过程。对于地质学家和古生物学家来说，地质历史时期的全球环境变化是目前一个极为重要的研究领域，许多的手段都得到运用，但人们总是不满足的，因为需要得到更高精度的研究结果。
古生物学家通常利用化石群的组合特征来判断过去时代的气候环境特征，比如人们熟知的猛犸象和披毛犀是典型的寒带动物，如果在一个动物群中发现它们的化石，那一定表示当时的气候非常寒冷。但关于动物群的分析只能定性地得出气候环境变化的情况，化石材料能否提供更为精确的信息呢?在古生物学家和地球化学家的共同努力下，一种新的分析方法应运而生。
学过化学的人都知道，元素是由具有不同中子数的同位素组成的，碳的同位素包括12C、13C、14C等，它们的中子数分别是6、7、8等，但质子数是相同的，都为 6。在碳同位素中，大家知道最多的就是14C，它是一种放射性同位素，在第四纪地质和考古学中，它可以被利用来测定年龄，而12C和13C与14C不同，它们是碳的稳定同位素，不具有放射性。在自然界中，12C和13C有固定的比例。大家都知道，植物的光合作用刚好与动物的呼吸相反，它们是吸入二氧化碳而排出氧气。二氧化碳对气候变化有非常大的影响，现在人们常常在谈论温室气体对气候的影响，二氧化碳就是最重要的温室气体，工业发展带来了大气中二氧化碳浓度的增高，现在科学界大多认为这导致了气温的上升。
在对地质历史时期全球变化的研究中，科学家们也需要了解当时的碳循环状况。然而，却不能象今天对大气测量那样直接测得过去的二氧化碳浓度。那么，怎么办呢?前面我们已经谈到，植物在光合作用中会吸入二氧化碳，然后再释放出氧气。植物的光合作用从对碳的吸收方面看有三种方式，一种方式是景天酸循环，它在自然界存在的比例很少，这种方式存在于仙人掌、丝兰和一些附生植物中。
第二种方式是加尔文循环，85％的陆生植物，包括乔木、大多数灌木和寒季的草本植物采用这种光合作用方式，这些植物生成 3个碳原子的化合物，所以把这些植物称为C3植物。 C3植物生长在寒冷或温凉的气候中，不仅包括寒带，也包括温带和热带地区寒冷小生境中的植物。第三种方式是哈茨循环，约有10％的植物采用这种光合作用方式，包括现代热带和亚热带的草本植物，它们生成4个碳原子的化合物，所以称为C4植物，C4植物更适合相对干旱的强烈季节性气候。
植物不同的光合作用方式与大气中CO2的浓度有关，当大气中的CO2,浓度降低时，C3植物的光合作用效果将减弱，而C4植物将生长茂盛。因此，如果我们能知道植物中C3和C4植物的比例，就能了解当时的大气CO2状况。另一方面，C3和 C4植物生长在不同的气候环境条件下，我们显然可以通过对植被类型的分析来推断地史时期的环境特征。这样，根据植物的光合作用类型，我们不仅能得到古气候的变化状况，还能知道控制气候变化的内在原因，如 CO2的浓度水平。
C3和C4植物以不同的比例分馏碳的稳定同位素 13C和12C。我们将13C/12C比率用δ13C(‰)表示。C3植物的δ13C平均约为-27‰，而C4植物的δ13C约为-13‰。只要我们分析植物的碳同位素组成，就很容易地知道它们的光合作用类型。然而，地质历史时期的植物早已消失，我们已无法直接测得它们的碳同位素组成，即使有植物化石保存，这些化石的成分已经完全改变，不能提供植物生长时期的化学成份。有没有解决办法呢?
有的，草食性动物，如奇蹄类的马和犀牛、偶蹄类的鹿和牛以及长鼻目的象等，当它们取食植物时，植物所含的碳同位素将在动物的骨骼和组织中富集，富集的幅度约为14‰。这样，如果一个动物只取食C3植物，它体内的δ13C将为C3植物的-27‰再浓缩14‰，即-13‰。同样的道理，当一个动物只取食C4植物，它的δ13C则为-13‰+14‰=1‰。如果一个动物既吃 C3植物，又吃C4植物，则它的δ13C在-13‰至1‰之间。取食C3／C4植物的比例不同，能从它的δ13C不同的数值上反映出来。过去的动物同样也都死去了，它们的软组织最先腐烂掉，少数骨骼形成化石保存下来，但骨骼的成分也已经改变，同样不能反映动物生活时的碳同位素组成情况。然而，最近科学家们发现，动物牙齿表面的釉质(也称珐琅质)在悠长的地质时期里变化很小，釉质的碳同位素组成与动物生活时的状况几乎一致。恢复过去植被类型的工具找到了，我们可以用下面的程序来表示这一方法。
科学家们已经研究了世界上很多地点的化石釉质碳同位素组成，这些地方包括北美、南美、东非、南欧、南亚以及中国的西北地区和华北地区。以在北美地区对马科化石的研究为例，北美的马科化石记录有5500万年的历史，这个记录通常被用来作为教科书中解释大进化的例子。根据对北美马科化石牙齿釉质的碳同位素分析，显示始新世到中新世釉质的δ13C为-15‰到-10‰，根据我们上面讲述的原理，显然这代表当时的马取食的植物完全是C3类型。从距今700万年的中新世晚期到早上新世，马类釉质的δ13C上升至U-0.1％o至+0.8‰，这反映了此时马的食物已经纯粹依赖于 C4植物。在世界各地进行的研究都表明在中新世晚期有明显的 C4植物扩张现象，在低纬度地区尤其明显。这一事实的背景是气候环境有明显的变化。从植被中C3和 C4植物的分布可以了解当时的气候环境条件。我们可以将世界上的草原划分为两种主要类型，一种是湿润草原，这种草原以C3植物占优势，如加拿大的草原地带和地中海沿岸地区；另一种是稀树草原，又称为萨王纳群落，这种草原以C4植物占绝对优势，通常分布在热带和亚热带地区，以莎草科及其他草本植物为主，在这种地区空气湿度存在强烈的季节性变化，可以分出明显的旱季和雨季，如阿根廷的潘帕斯草原和东非的塞伦盖蒂平原。牙齿化石吐露出了不同草原类型更替的消息，使科学家们能够了解到过去历史时期气候环境变迁的过程。
在中国进行的这方面的工作也取得了初步的成果。对甘肃省庆阳地区第四纪初期的草食性哺乳动物牙齿釉质的碳同位素分析，得到了受东亚季风和冰期气候影响的植被分布模式；对华北泥河湾盆地更新世古人类遗址伴生动物群的同位素研究，获取了影响古人类进化和文化发展的古生态环境变化的信息。因此，这种方式在古气候的研究中大有用武之地。
