十年前,在研究生院走廊上的一次偶然相遇,让古生态学家杰森·麦克拉克兰(Jason 克劳克兰)在365wm完美体育官网登录的温室里创造了一个类似侏罗纪公园的奇迹, 哪里有成排的盐沼芦苇从100年前的种子发芽.

克劳克兰说,他和一位同事正试图找出在哪里可以找到一些含有古代DNA的泥土, 在沉积物样本中发现了曾经的生物的基因痕迹. 他们遇到了一个朋友,他正在研究东海岸从新泽西州到南卡罗来纳州的盐沼中盐分水平的变化. 朋友说他注意到了, 偶尔, 百年泥沙里的种子自然发芽了. 他没多想.

但这场讨论引发了一个灵光一现的时刻:当你可以得到让过去复活的种子,这样你就可以研究一个活的有机体,为什么还要担心古代的DNA呢?

十年后, 克劳克兰和他的团队种植这些百年芦苇,以了解随着气候的持续变化,东海岸对风暴的反应. 这些潮汐沼泽中的植物在保护海岸免受风暴侵蚀方面发挥着关键作用, 因此,它们的进化方式会对从海浪强度到在哪里建造海滩住宅等方方面面产生深远的影响.

今年早些时候,365wm完美体育官网登录有机地球化学家梅丽莎·伯克(梅丽莎·伯克)加入了一个国际科学家小组,从印度洋海底采集了泥土样本,时间跨度大不相同——大约700万年. 她研究的是自人类出现以来,洋流如何影响全球气候模式的变化.

对未来气候变化的预测只能与科学模型中的历史数据一样准确. 克劳克兰和伯克都在收集数据并进行分析,旨在改进这些预测模型. Both dig into the earth to find organic evidence of climate change; both study the past to understand and predict the climate future.

“我们都在研究一些能够从旧材料中提取出来的东西,这些材料可以帮助我们重建那个时期的样子,伯克说。. “如果你不了解地球及其系统是如何运作的, 很难说将来会发生什么事. 我们对过去的理解可以告诉我们现在正在发生什么,接下来可能会发生什么.”

梅丽莎·伯克穿着白大褂

强大的电流

伯克他是民政部克莱尔·布斯·卢斯助理教授 & 环境工程 & 隶属于365wm完美体育官网登录的地球科学 环境变化倡议 (ECI), 一名研究生乘坐国际海洋探索项目的一艘科考船进行了为期两个月的旅行. 去年1月的这次旅行从印度洋的毛里求斯出发,沿着非洲东海岸,绕过非洲大陆南端,到达开普敦.

动画箭头显示了阿古拉斯洋流.

这条路线沿着强大的阿古拉斯海流, 它沿着莫桑比克海峡携带着大量的温水. 大部分的水绕回印度洋, 但巨大的涡流会旋转并漂移到大西洋,形成异常温暖的水袋. 阿古拉斯海流和漩涡影响海洋活动,范围从表面温度到风, 影响着从非洲一直到美洲的天气模式——类似于北美经历来自太平洋的厄尔尼诺Niño的影响.

“这些洋流都是全球传送带的一部分,在世界各地的海洋中移动着水包,伯克说。. “它们连接着非洲海岸和美国海岸. 将水分拉到陆地上或大陆上的风模式的驱动力是海洋表面温度和环流变化. 海洋状况对天气和气候都很重要.”

而天气是短暂的, 伯克最感兴趣的是被称为气候变化的长期天气模式. 更长的时间尺度使她能够研究主要的模式以及极端的干扰,如冰河期,看看生物是如何在这些事件后恢复或变化的.

为什么要追溯到700万年前? 克劳克兰引用了温斯顿·丘吉尔(Winston Churchill)的一句话:“你看得越远, 你看到的越远.”

“你看得越远,你就可能看得越远。.”

伯克如何实现这些目标是项目变得更加技术化的地方. 在船上工作12小时一班, 大约36名科学家从海底的目标地点采集了岩芯样本. 这艘船上有钻探设备,可以将一根中空的管子深入海底,挖出数百英尺长的泥浆岩心. 这些管子用塑料包裹,然后切成片供研究.

从不同的地方, 该小组总共收集了6公里长的海底泥浆,代表了700万年的时间,伯克称其位置和规模都是前所未有的. 她在船上的任务是识别钻井过程中需要避免的危险气体袋,并进行初步的化学分析, 而她的研究生则是一名沉积学家,为每个样本写详细的描述.

她说:“这些岩芯样本为我们提供了过去发生的事情的良好记录。. “这些泥管记录了很长一段时间.”

梅丽莎·伯克, 研究生卡塔赫纳·塞拉和另一位科学家讨论对古代泥浆样本的初步测试
梅丽莎·伯克, 研究生Cartagena Sierra(右)和另一位科学家在一艘国际科考船上讨论对古代泥浆样本的初步测试. (图片来源:Tim Fulton)
基思·奥康纳在伯克的实验室里从泥浆样本中提取有机物质
研究生, 基思·奥康纳, 伯克的实验室在去年沿着非洲海岸进行了为期两个月的考察,从印度洋海底的泥浆样本中提取了有机物质.

回到实验室, 11月正式样品终于到了哪里, 伯克和她的学生们进行了一系列的分离来提取有机物质, 前世的组成部分. 从这些标记中, 它们来自海洋生物,如藻类或陆地上的树木, 伯克可以得出关于温度的结论, 与特定时期相关联的样品深度的降水和陆地和海洋的其他条件.

该项目为期四年,从船上开始,并将通过发布数据和论文继续进行. 第一步是确定过去的条件和变化是如何影响气候的. 然后,过去的数据可以改进预测未来的模型.

“了解海洋中正在发生的事情不仅仅是一个深奥的学术问题,”伯克说. “这是天气预报和未来模型的内容,可以告诉我们是什么导致了大风暴和主要气候模式变化.”

Jason 克劳克兰被植物包围

世纪的种子

克劳克兰, 生物科学系副教授,也隶属于ECI, 研究植物种群,了解环境和生物变化. 他对不同物种如何应对气候变化(如海平面上升)很感兴趣, 温度升高,二氧化碳增加.

当他和一个同事听说盐沼种子的时候, 他知道,种植100岁的芦苇“将是回答气候变化时进化速度有多快的问题的好方法。.”

沿海地区抵御风暴能力的预报模型考虑到了盐沼的重要性. 这些草和莎草的床, 涨潮时淹没,退潮时泥泞, 驱散汹涌的海浪, 把二氧化碳困在泥浆里, 固定土壤,防止被冲走.

但克劳克兰说,这些模型并没有解释植物的进化变化. 使用一些内部资金和奖学金, 克劳克兰和他的学生们在沼泽中挖出了大约一英尺深的沉积物样本. 他们在泥土中筛选寻找可能存活的种子.

只有大约2%的芦苇种子能够复活. “一旦你让这些古老的种子发芽, 它就像是过去的珍宝, 所以我们真的是在照顾他们,帮助他们成长,克劳克兰说.

研究小组发现的第一件事是,一个世纪前的植物在生理上与现代灯心草不同,比如茎宽等特征, 高度, 颜色和密度. 然后,他们开始研究这些变化对它们如何发挥保护海岸的作用有什么影响.

幼苗插图
宽度 & 高度
由三个绿色圆圈组成的图解
Color
4x4棕色方块
密度

“如果我们采用现代种子,并把它们的表现放在模型中, 在海平面上升到一定程度之前,海岸将被保留下来,他说. “但如果我们使用更老的植物,那就不同了. 这会影响他们的抵抗能力.”

早期的测试已经得出结论,植物的进化变化是有影响的, 但克劳克兰正在寻求国家科学基金会的资助,以确定新植物在海岸保护方面的表现是更好还是更差,以及应该采取什么措施. 更新预测模型, 第一个, 但下一步可能是管理沼泽中的植物种群.

“海岸系统已经在崩溃,”麦克拉克兰说. “如果海平面继续上升,我们不知道海岸有多大的弹性. 我们有模型,但它们不包括过去的智慧. 我们正试图将其引入模型中,这样我们就能了解它们是如何应对重大变化的.”

灯心草的一个关键特征是它们可以克隆. 植物长出粗粗的根,从根上长出另一根茎. 因为它们是同一种植物,有着相同的基因型, 科学家们可以用这些复制品作为对照组进行一系列实验. 例如, 他们可以比较新旧植物对二氧化碳变化的反应有何不同, 盐度或热量.

贾森·麦克拉克兰教授收集的现代和100年历史的芦苇植物生长在加尔文生命科学中心的温室里.
Jason 克劳克兰收集的现代和100年历史的芦苇植物生长在加尔文生命科学中心的温室里.
克劳克兰和他以前的学生Rachel Koch在马里兰州切萨皮克湾(Chesapeake Bay)沿岸的盐沼中收集岩心样本, 他们在那里研究植物如何影响风暴侵蚀和气候变化.
克劳克兰和他以前的学生Rachel Koch在马里兰州切萨皮克湾(Chesapeake Bay)沿岸的盐沼中收集岩心样本, 他们在那里研究植物如何影响风暴侵蚀和气候变化.

事实上, 机会是如此的成熟,以至于大约250名生物学本科生在第一年的实验课上用这些植物进行了动手实验. 这种安排说明了前沿研究如何能直接促进更好的课堂教学. 学生们提出他们自己的问题,并进行他们自己为期一个月的实验,其中包含了遗传学的元素, 进化, 生态学和全球变化生物学. 他们的数据是用于申请进一步资助的提案的一部分.

“这是生命的奇迹, 看着这些很酷的小东西出现,弄清楚是什么让它们茁壮成长,克劳克兰说. “这不是一个你知道结果会是什么的固定实验. 亲手触摸这种古老的生物,看看100多年来进化是如何改变它的生物学特性的,真是太棒了. 它就像孟德尔的豌豆,但不那么抽象. 这些植物的区别就是南卡罗来纳海岸的生与死的区别.”