蜗牛壳，竟然藏着百万年的气候日记？

中科院物理所

2025-11-22 14:01发布于北京中科院物理所官方账号

在地球环境科学研究中，科学家们一直在寻找能够记录古气候变化的“天然档案”。树木年轮、冰芯、石笋等，都是人们熟知的典型气候载体。然而，有一种看似不起眼的小生物——陆生蜗牛，其碳酸盐质壳体中也蕴藏着丰富的环境信息。

最近，中国科学院地球环境研究所联合西安交通大学全球环境变化研究院以及西安创新地球环境研究院，在陆生蜗牛壳体高分辨率碳氧同位素研究方面取得了重要进展，揭示了壳体同位素序列对古气候环境的深层指示意义。

小小蜗牛壳，大大气候史

陆生蜗牛广泛分布于全球各类陆地环境，从热带雨林到温带草原，从低地平原到高山峡谷，几乎无处不在。更令人惊叹的是，其碳酸盐壳体在考古和地质记录中能稳定保存数万年至百万年之久。如同树木年轮记录其生命历程的环境变迁，蜗牛壳体中的氧同位素（δ¹⁸O）和碳同位素（δ¹³C）组成，也同样承载着过去的降水状况、植被类型及水文条件等关键环境信息。

然而，要准确解读这些同位素信号并非易事。蜗牛在生长过程中会受到诸多生理因素的复杂影响，这些内在因素可能会干扰壳体同位素对环境信号的真实记录。正如一位经验丰富的译者必须深入理解原文的语境与背景，科学家们也需要系统掌握蜗牛的机制与生命过程，才能从壳体化学组成中正确还原出其所承载的环境信息。

实验室里的精心培育

为了探究这一科学问题，研究团队首先在实验室开展了精心设计的培养实验。他们选择了非洲大蜗牛（Achatina fulica）作为研究对象，这种蜗牛因其生长迅速、体型较大而成为理想的实验动物。在中国科学院地球环境研究所的实验室里，研究人员为这些蜗牛创造了一个舒适的环境：温度保持在 23.7±0.4 摄氏度，相对湿度维持在 90%左右，每天投喂新鲜生菜作为食物来源，并提供黄土粉末作为钙源。

研究团队分别在蜗牛孵化后的第一个月、第三个月和第五个月采集壳体样品，代表了幼年、亚成年和成年三个生长阶段。通过高分辨率的同位素分析，他们发现了一个有趣的现象：成年蜗牛壳体的 δ¹⁸O 值比幼年个体最高可富集 0.8‰。这种差异并非源于外界环境的变化——毕竟实验室条件是恒定的——而是与蜗牛体内的生理过程密切相关。

扫描电子显微镜下的观察进一步揭示了这一现象的微观基础。幼年蜗牛的壳体厚度仅为 46.9 微米，结构相对松散；到了三个月大时，壳体增厚至 114 微米，内部的交错板状结构开始变得规则；而五个月大的成年蜗牛，壳体厚度达到 356 微米，呈现出致密而有序的交错板状结构。这种壳体矿化程度的变化，以及伴随生长而发生的新陈代谢过程的改变，共同造成了同位素组成的差异。

（a）实验室培养的不同⽣⻓阶段的⾮洲⼤蜗⽜（Achatina fulica）；（b）蜗⽜壳体形态参数测量示意图。（图片来源：参考文献1）

攀枝花的野外验证

实验室的发现固然重要，但自然界的情况是否也是如此呢？为此，研究团队将目光投向了四川攀枝花地区。这里地处青藏高原东南缘，属南亚热带季风气候，年均温 16.21 摄氏度，年降水量 839.44 毫米，具有明显的干湿季节变化。每年 6 月至 10 月为湿季，11 月至次年 5 月为干季，这种季节性的气候变化为研究提供了天然的实验场。

研究人员从同一微生境（不足 50 平方米的区域）采集了 8 只不同大小的野生蜗牛（Lissachatina fulica），包括 2 只成年个体和 6 只未成年个体。通过对这些蜗牛壳体进行系列采样，共获得了 335 个亚样品进行同位素测量。结果表明，尽管不同年龄个体的 δ¹⁸O 绝对值存在差异，但它们的序列变化趋势具有高度一致性，主要反映了降水 δ¹⁸O 的季节性变化。

特别引人注目的是，野外蜗牛壳体的 δ¹⁸O 变化幅度远大于实验室培养的个体。最大的一只蜗牛（PZH shell-1）的壳体内 δ¹⁸O 变化范围达到 7.01‰，清晰地记录了干湿季节的转换。壳口附近（最年轻的部分）显示出相对正的 δ¹⁸O 值，表明它记录了冬季的高 δ¹⁸O 降水；相邻的壳段显示出较低的 δ¹⁸O 值，对应着夏秋季节的湿润时期；而壳体中部最正的 δ¹⁸O 值则反映了前一年干季的生长。通过这种方式，研究人员甚至能够估算出蜗牛的生长年龄，发现基于 δ¹⁸O 的年代学比简单依靠物理尺寸更为可靠。

室内培养的不同⽣⻓阶段的Achatina fulica SEM图像。（图片来源：参考文献1）

碳同位素里的饮食密码

除了氧同位素，碳同位素（δ¹³C）也蕴含着丰富的环境信息，主要反映蜗牛的食物来源。在实验室培养条件下，研究发现亚成年和成年个体的壳体 δ¹³C 值比幼年个体富集约 1.3‰。由于所有蜗牛都喂食相同的生菜（C3 植物，δ¹³C 约为-27.5‰），这种差异不能用食物变化来解释。

通过仔细分析，研究人员推测这种富集与碳酸盐摄入比例的增加有关。幼年蜗牛对碳酸盐的需求较少，其壳体碳主要来源于食物代谢；而随着生长，蜗牛需要更多的碳酸盐来构建日益增大的壳体，因此摄入的无机碳酸盐（δ¹³C = -5.7‰）比例增加，导致壳体 δ¹³C 值的富集。这一推测得到了放射性碳（¹⁴C）测量结果的支持，显示碳酸盐摄入在生长中期达到峰值。

野外蜗牛的 δ¹³C 值范围为-15.15‰ 至-10.05‰，考虑到约 13‰的分馏效应和约 1.3‰的碳酸盐摄入贡献，推算出蜗牛食物的 δ¹³C 值为 -29.45‰ 至 -24.45‰，完全落在 C3 植物的典型范围内（-34‰ 至 -20‰）。这表明尽管攀枝花地区处于季风气候区，可能存在 C4 植物，但这些蜗牛主要以 C3 植物为食。有趣的是，δ¹³C 剖面呈现出明显的 U 型模式：早期和晚期生长阶段显示负值，而中期生长阶段相对富集，这种模式在实验室和野外样品中都能观察到，进一步证实了碳酸盐摄入随个体发育的变化规律。

从微观到宏观的启示

这项研究的意义远不止于理解蜗牛的生长过程。通过系统探讨壳体同位素在个体发育过程中的变化规律，研究团队为利用陆生蜗牛壳体进行高分辨率古气候重建提供了重要的现代标定框架。

研究表明，虽然生理因素确实会对同位素信号产生一定影响，但在自然条件下，环境信号仍然占据主导地位。野外蜗牛壳体的 δ¹⁸O 序列能够清晰地反映季节性降水变化，生理效应的干扰相对较小。这意味着，通过分析化石蜗牛壳体的高分辨率同位素记录，我们可以重建过去的季节性气候变化，甚至捕捉到亚季节尺度的气候事件。

对于 δ¹³C 而言，虽然其解释相对复杂，需要考虑碳酸盐摄入和摄食选择性等因素，但它仍然是重建古植被类型的有效指标。特别是在纯 C3 或纯 C4 植被环境中，δ¹³C 信号可以提供明确的植被信息。

展望未来的研究之路

陆生蜗牛作为陆地环境的“微型气象站”，其壳体同位素记录为我们打开了一扇了解过去气候变化的窗口。这项研究不仅深化了我们对蜗牛壳体同位素分馏机制的认识，也为利用这一指标进行古环境重建提供了坚实的理论基础。

随着分析技术的不断进步，未来我们或许能够实现更高的时间分辨率，甚至达到周或日尺度的气候重建。同时，通过研究不同种类蜗牛的同位素特征，结合其他古气候指标，我们将能够更全面地重建地球历史上的气候变化，为理解当前的全球变化提供历史借鉴。

正如那首儿歌所唱：“蜗牛背着那重重的壳呀，一步一步地往上爬。”这些小小的软体动物，用它们独特的方式记录着地球的呼吸与脉搏。而科学家们，则像侦探一样，从这些精巧的螺旋结构中，一点一点地解读出大自然书写的气候日记。在这个过程中，我们不仅增进了对自然界的理解，也更加感叹生命与环境之间那种微妙而深刻的联系。

参考文献

[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.

原作者：吴刚

来源：科普中国

编辑：杨樂多

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