当太阳在太平洋波光粼粼的所罗门海上方逐渐落下时，纪尧姆·伊万科夫戴上潜水装备，从“塔拉号”科考纵帆船登上机动小艇。他的目标是带回一个岩芯，这是一个手臂长的珊瑚群落样本，记录了它几十年的生命历程。
大约在小艇离开“塔拉号”10分钟后，它的发动机减速了。这里的海水非常浅，以至于珊瑚礁鱼类就在水面几英寸的地方穿梭。伊万科夫是塔拉探险基金会的科学潜水主管，他正在珊瑚礁上寻找最大、最原始的滨珊瑚样本——一种圆形、黄绿色的珊瑚物种，通常生长得非常大，看起来像哥斯拉的头骨。珊瑚群落由被称为珊瑚虫的软体动物组成，它们（在共生藻类的帮助下）分泌出薄薄的矿物碳酸钙层。随着时间的推移，这些年度层一层层地堆积起来，形成构成珊瑚骨骼的坚硬物质。
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一旦他找到了理想的滨珊瑚，伊万科夫就将他的取芯工具的三英寸宽的圆形刀片压入珊瑚表面。当刀片沉入骨骼时，会发出微弱的嗡嗡声，珊瑚粉尘云在周围的水中翻滚。在穿透所有珊瑚层后，伊万科夫以这种方式敲击取芯器的桶，然后以那种方式敲击，以松开他切割的样本的底部，该样本通常约有一英尺半长。他在同一个孔中重复该过程两次，然后游回水面，将岩芯样本的长度——总共约四英尺长——放入小艇中。只有滨珊瑚地层的表面含有活珊瑚虫，因此在钻孔后，珊瑚地层应该继续在浅水中生长，不受损害且不会中断。
像这次这样的海洋科学考察收集各种生物样本，从海水到珊瑚礁鱼类再到珊瑚微生物。但珊瑚岩芯与其他样本不同。它们是有机的时间胶囊，包含当地污染、地质、温度和珊瑚礁健康的记录，可以追溯到数百年或数千年。随着研究人员改进从珊瑚骨骼中提取此类信息的惊人方法，对于想要探究海洋过去的气候学家、地球化学家和古生物学家来说，建议越来越多地变为：关注岩芯。“我称它们为天然珊瑚礁历史书，”澳大利亚海洋科学研究所的气候学家和珊瑚岩芯专家珍妮丝·洛夫说。“它们有很多故事要讲。”
钻探海洋历史
像法医侦探工作一样，珊瑚取芯已成为为过去事件的理论添加细节和可信度或证明它们确实发生过的可靠方法。人们很容易忘记，直到 20 世纪 70 年代，才有人确信珊瑚会留下年度生长环。当时，夏威夷大学地球物理学家团队访问了南太平洋的埃内韦塔克环礁。
埃内韦塔克是一个不起眼的岛屿，有着不寻常的历史：美国在 20 世纪 40 年代和 50 年代的不同日期在那里测试了核弹。夏威夷研究人员很想知道埃内韦塔克附近的珊瑚骨骼是否会显示出这种放射性的证据。如果珊瑚岩芯层包含具有已知半衰期的放射性元素，则几乎可以精确地计算出每个生长环的形成时间。“他们取了一片巨大的珊瑚群落，将其放在暗室中的[光敏]纸上一个月，然后他们看到了一系列放射性条带，”洛夫说。纸上条带的间距暗示着珊瑚的隐藏结构中可能还有更多发现，这表明有必要进行进一步的测试。“他们联系了当地医生，说，‘您介意用 X 光扫描我们的珊瑚切片吗？’”
当将珊瑚切片放入 X 光扫描仪时，一系列独特的明暗生长环变得可见，反映了构成珊瑚骨骼的碳酸钙的密度。对骨骼中放射性元素进行年代测定显示，每年会形成两组环：一组较大、孔隙较多的环和一组较窄、密度较高的环。在1972 年的《科学》杂志论文中，研究人员将这些岩芯称为“珊瑚年代计”，暗示了它们作为天然计时器的用途。此后，其他科学家报告说，珊瑚在潮湿季节温度较为温和时会留下较大的生长环，而在干燥季节条件较为极端时会留下较小的环。
珊瑚物种每年生长 0.3 到 10 厘米，但一般经验法则是，例如，一个 100 厘米长的岩芯样本提供了大约 100 年的珊瑚历史记录。通常是最新的 100 年，但并非总是如此。化石珊瑚可能包含追溯到最后一个间冰期（超过 10 万年前）的生长环序列。X 射线扫描今天仍用于评估珊瑚生长环的相对密度，这反映了环形成时的气候条件。但海洋科学家一直在努力发现其他珊瑚岩芯特性的意义。
珊瑚侦探们发现，岩芯内部最丰富的数据存储之一是其逐年记录的海洋水中微量元素。珊瑚虫吸取海水以提取构建骨骼所需的矿物质，因此每个碳酸盐层都包含少量在层形成时存在于水中的物质。昆士兰大学古生物学家格雷戈里·韦伯说，虽然珊瑚生长环“不像树木年轮那样漂亮和紧密，因为珊瑚骨骼的内部形状复杂”，“但它们确实记录了它们生长的水的化学成分。”
因此，对珊瑚岩芯成分的测试使科学家能够绘制海洋区域中从一年到另一年的许多不同化合物的水平图。这可以深入了解似乎与珊瑚无关的行星过程。中国广西重点实验室的海洋科学家最近通过测量推断出过去 150 年东亚冬季风的强度，方法是测量滨珊瑚岩芯每一层中稀土元素（如镧和铈）的水平。这些稀土元素来自冬季风暴期间沉积的尘埃漩涡，因此这些元素的普遍程度是风暴强度的可靠指标。
同样，珊瑚岩芯测试正在揭示人为污染的历史证据，这些证据比以前发现的任何证据都详细得多。洛夫和她的同事正在对大堡礁的现代岩芯进行采样，并测试生长层中铅和镉等有毒金属的水平，这些金属通常来自工业生产。开发商可能会建造一个港口，将沉积物倾倒在珊瑚礁上，并坚称他们的干预对海洋没有影响——但是，正如洛夫指出的那样，“珊瑚岩芯是环境如何变化的公正观察者。”
珊瑚岩芯还提供了一些在官方测量开始之前几年海洋温度的唯一可靠记录。当水温较低时，珊瑚会使用更多的元素锶来补充它们用于构建骨骼的碳酸钙。通过计算珊瑚岩芯每一层中钙与锶的比率，研究人员可以确定该层形成时的海洋温度。
亚利桑那大学地球科学家格洛丽亚·希门尼斯和同事使用这种技术对来自厄瓜多尔加拉帕戈斯群岛周围热带太平洋水域的珊瑚岩芯进行了研究，最近汇编了 1940 年至 2010 年的水温变化详细记录。以前该地区的气温记录是零星的，而且似乎表明，由于来自深处的冷水流涌入，加拉帕戈斯群岛的海洋变暖受到限制。但希门尼斯的珊瑚岩芯数据讲述了一个不同的故事：该地区的水域实际上自 20 世纪 70 年代末以来一直在变暖，在 20 世纪 80 年代初，当温暖的厄尔尼诺洋流经过时，出现了一个高峰。这种持续的变暖趋势意味着加拉帕戈斯群岛周围的珊瑚礁可能比以前认为的更危险。
在希门尼斯研究的现代珊瑚地层之下，是另一个宝藏，它被束缚在化石珊瑚岩芯中。根据其保存状态，这些岩芯使像韦伯这样的研究人员可以将海洋温度记录延伸到 10 万多年前。韦伯有一艘定制的船只“D 山号”研究船，该船设有一个钻井平台，用于从大堡礁下方的古代地层中采集岩芯样本。
在韦伯和他的团队回收化石珊瑚岩芯后，他们可以使用铀钍测年法确定岩芯的年龄。质谱分析显示了岩芯层中微量铀有多少衰变为钍，并且两个元素之间的比率用于计算每个层的大概年龄。像希门尼斯一样，韦伯使用锶钙比率来计算每个珊瑚带形成时的海洋温度，他使用他的化石岩芯来追踪史前水域中微量元素的流行程度。“我们已经能够回收来自整个全新世的岩芯，”韦伯说，他指的是当前的地质时代，该时代始于大约 12,000 年前。“我们可以开始比较同一珊瑚礁、同一确切地点但在 10 万年前的气候和水质问题。”
韦伯的化石岩芯分析也正在揭示古代地质过程的新证据。在最近一次前往苍鹭礁（大堡礁的一个区域，位于澳大利亚海岸附近）的旅行中，他和他的团队遇到了一个小故障。该团队的钻机能够钻入海底 30 米深处，有一天，他们计算出他们很快就会到达追溯到更新世最后一个间冰期的地层，即 10 万多年前。但他们从未完全到达。“我们认为我们会在大约 15 米处到达更新世，”韦伯回忆说。“我们对那个深度进行了打赌——有人赌 12 米，有人赌 14 米。接下来你知道的，我们已经到了 22 米，但我们还没有到达。我们碰巧钻入了一个山谷，我们根本没想到会这样。”
事实证明，珊瑚岩芯包含一个追溯到最后一个冰河时期的地层，当时海平面低至 130 米，整个大堡礁结构都在海浪之上。风、雨水和流水将该地点的裸露石灰岩雕刻成一个深洼地，周围环绕着高耸、陡峭、崎岖的山丘。当海平面再次上升时，水流和海浪将沉积物颗粒填满了水下山谷，而这种地形成为了在该地点生长的新珊瑚礁的基础。这一发现帮助研究人员得出结论，现代珊瑚礁的形状通常不是由先前的珊瑚礁或它们生长的地质结构的形状决定的，正如一些科学家所认为的那样。沉积物的积累可以掩盖较旧结构的轮廓，并为新珊瑚礁的生长提供更平坦的表面。与此同时，珊瑚礁的最高点只能长到海平面允许的高度，这意味着它们也从顶部被压平了。
正如本周刚刚发布的《自然地球科学》杂志上的一项研究进一步证明的那样，海洋的不断变化始终在塑造这些独特的生态系统中发挥着不可或缺的作用。悉尼大学的乔迪·韦伯斯特、法国皮埃尔·西蒙·拉普拉斯研究所的布莱恩·洛格希德及其同事从大堡礁下方提取了各种古代珊瑚岩芯。对岩芯中的骨骼物质和沉积物的分析表明，在过去 30,000 年中，海平面变化导致珊瑚礁的某些部分死亡了五次——有时是当珊瑚礁暴露在空气中时，有时是当上涨的水域中的沉积物阻挡光线照射到珊瑚礁时。然而，珊瑚礁在每种情况下都重新生长，因为珊瑚虫从其他地方迁移进来，并且其活珊瑚地层随着时间的推移而移动，以利用可用的最佳水和光照条件。
岩芯样本中每个珊瑚层的独特结构组成也提供了有关珊瑚在形成过程中遇到的其他压力的线索，无论这些压力发生在几十年前还是几千年前。例如，伍兹霍尔海洋研究所的研究人员今年在《美国国家科学院院刊》上报告说，当海洋由于大气中的二氧化碳而相对呈酸性时，珊瑚会完全改变其生长习性。
伍兹霍尔海洋研究所的海洋科学家团队，包括研究生纳撒尼尔·莫利卡和地质学家安妮·科恩，分析了来自巴拿马、帕劳、台湾和南海东沙环礁附近水域的现代滨珊瑚岩芯样本。他们将每个珊瑚岩芯放入计算机断层扫描 (CT) 扫描仪中，这是一种专门的 X 射线设备，可以揭示珊瑚深处的生长模式和密度差异。
通过将这些珊瑚岩芯记录与从每个地点获得的水样本进行比较，科学家们证明，过去时代较高的酸度水平导致了明显的结构异常。酸性较强水域中的珊瑚与其他珊瑚的生长速度大致相同，但受酸性影响的珊瑚的结构不同，存在像煎饼面糊中的气泡一样的间隙。原因是当二氧化碳溶解到海水中时，它会附着在水中的游离碳酸根离子上。因此，可供珊瑚虫从水中提取的碳酸根离子较少，因此珊瑚虫无法产生那么多碳酸钙。
随着时间的推移，这种缺陷导致珊瑚骨骼更薄、更多孔。“基本上，我们看到了所有这些空隙[和]内部的空心区域，”研究团队的地质化学家郭为夫说。这种脆弱的骨骼更容易在风暴潮或海浪的冲击下崩塌——反过来，这种崩塌会危及珊瑚礁上的其他生命，包括为珊瑚生长食物的藻类和依赖珊瑚为生的鱼类。
模拟海洋的未来
像这样的珊瑚岩芯观察填补了我们行星和海洋动力学知识的空白，但它们也有助于研究人员预测未来几年压力将如何影响珊瑚礁。伍兹霍尔海洋研究所的研究人员在查看他们的岩芯数据以及气候变化导致海洋酸度预计增加的情况下，得出结论，到 2100 年，全球珊瑚骨骼的密度可能会下降高达 20%，这一预测突显了珊瑚礁可能遭受物理冲击破坏的潜力。
更重要的是，锁定在珊瑚岩芯中的长期记录揭示了过去的珊瑚礁如何在污染和海洋变暖中生长和适应，这与今天的类似趋势尤其相关。“我们需要珊瑚礁行为方式的历史记录，以前发生过哪些变化以及它们如何应对。这为我们提供了更好的立足点，[了解]我们可能面临的挑战，”韦伯说。“当我们把所有这些记录联系在一起时，我们将能够做的事情令人惊叹。”
积累的知识已经帮助研究人员调整预测性全球气候模型，洛夫说这将为珊瑚礁保护策略提供信息。“全球气候模型并不完美——它们一直在被调整。来自珊瑚的记录提供了来自过去的证据，这些模型可以使用这些证据。”
一大笔研究资金用于记录现代珊瑚礁生态，而用于探测过去的资金所剩无几。但韦伯、郭和其他人认为，为了拼凑出对海洋历史和现状的准确评估，至关重要的是要找到更多跨越不同时代和水况的珊瑚岩芯样本。“当您拥有更大的收藏时，您就不会将整个论点建立在单个珊瑚上，”郭说。“您可以讲述一个更自信的故事。”
伊万科夫的长期目标是为这个不断发展的故事添砖加瓦。在他的小艇——现在装满了滨珊瑚岩芯样本——突突地开回“塔拉号”后，他将岩芯段吊到船甲板上，并将它们排列在工作台上晾干。当船只到达港口时，伊万科夫从太平洋各地收集的数十个岩芯将被运往法国国家科学研究中心 (CNRS) 和摩纳哥科学中心。
借助来自这些岩芯的数据，研究人员将组装出一幅详细的海洋生态系统肖像及其组成部分如何相互作用。“我们收集[群落的]整个环境[样本]，”伊万科夫说。“珊瑚、水、鱼——我们把所有东西都收集起来并放在一起。” 几千年来，珊瑚逐个细胞地记录着整个生命系统的健康和转变。现在，这些系统的命运可能取决于我们解码这些骨骼中隐藏记录的能力。
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