本文最初发表于 Hakai Magazine，该杂志是一家关于沿海生态系统科学与社会的在线出版物。在此处阅读更多类似的故事 hakaimagazine.com。
坐落于宾夕法尼亚州费城的核心地带，德雷塞尔大学自然科学院散发着一种广阔的奇物收藏馆的氛围。其新古典主义的外观覆盖着自然的图案——门廊两旁是菊石，扶手弯曲成蕨类植物的形状，青铜门把手则被塑造成了朱鹭的头骨。作为西半球最古老的自然科学机构，该学院积累了大量非凡的标本。在这里收藏的约1900万件标本中，有刘易斯与克拉克探险队采集的植物，欧内斯特·海明威捕获的大西洋马林鱼，以及美国第一具恐龙骨架化石。
学院许多不起眼但却意义重大的宝藏被珍藏在其二楼，一个堆满了巨大柜子和显微镜的办公室里。在其中一个显微镜旁，馆长玛丽娜·波塔波娃打开了一个笔记本大小的塑料容器，里面装满了载玻片。对于 untrained eye 来说，这些不起眼的载玻片看起来很脏——每一片都像是被脏手指弄污了一样。
但当波塔波娃将一片载玻片放入显微镜下时，载玻片上的内容立刻闪耀起来。数十个硅藻——微小的、单细胞的藻类，由坚固的二氧化硅外壳构成，存在于所有有水的地方——以各种形状固定在载玻片上。
有的呈长条形，像法棍面包；有的被压扁成碟状；有的则连接在一起，形似半透明的蜈蚣。有的带刺，像鱼叉；有的则呈胖乎乎的海星状。有些甚至像精致的彩色玻璃窗。在显微镜下，几滴浑浊的池塘水变成了一个万花筒般的硅藻多样性景象。
硅藻的美丽令人惊叹。但它们的生态意义更是惊人。硅藻通过喂养从微小的浮游动物到庞大的滤食性生物，成为海洋食物网的基石。（例如：科学家们推断，大约3000万年前鲸鱼的兴起与硅藻多样性的激增相呼应。）硅藻还对大气产生巨大的影响。作为地球上最多产的生物之一，硅藻会从空气中吸收二氧化碳等有害气体，并在光合作用过程中产生大量的氧气。据估计，我们呼吸的空气中约有四分之一是由硅藻产生的。
超过四百万件这些至关重要的藻类标本被粘贴在数十万张载玻片上，并保存在学院的硅藻标本库中。只有伦敦的自然历史博物馆收藏的硅藻载玻片比这里多。
虽然学院的硅藻不再喂养浮游生物或向大气输送氧气，但它们确实隐藏着有关水生世界如何变化的线索。当它们坚硬的外壳沉入水中底部时，它们会在沉积物中保存数千年。当研究人员使用沉积物钻芯钻探河口泥泞的底部时，他们实际上是在收集数万年来沉积的硅藻。
除了数量众多且耐用之外，硅藻也是多种环境条件的“晴雨表”。某些硅藻物种的存在可以帮助科学家精确地确定从工业污染到氧气枯竭等各种问题。波塔波娃及其同事最近利用这些水体状况的时间胶囊来衡量不断加剧的海平面上升如何威胁新泽西州的沿海湿地。
由于缺乏充分的环境监测，这些至关重要的湿地（它们能储存碳，为鱼类提供繁殖场所，并保护海岸免受风暴侵袭）的历史性衰退很大程度上被掩盖了，这使得恢复工作几乎等同于猜测。
然而，学院储存的数百万硅藻正在帮助研究人员追踪海平面上升导致沿海湿地衰退的情况，这可能有助于预测海岸的未来。“硅藻是极其宝贵的环境档案，”波塔波娃说。“你可以从它们告诉你的关于过去的信息中推断出未来。”
考虑到学院的历史，难怪这个传奇机构会成为硅藻研究的中心。随着19世纪50年代显微镜技术的普及，费城许多业余自然主义者被微观生物的世界所吸引，并最终在学院成立了费城显微镜学会。
由于硅藻 striking beauty ，它们迅速风靡显微镜学会。为了满足他们的兴趣，许多硅藻爱好者前往新泽西海岸收集样本，他们用稳定的手和蘸满猪毛的刷子将样本固定在玻璃载玻片上。这些爱好者然后会在学院聚会，在丰盛的午餐会上展示他们的载玻片。
学院的早期成员显然对硅藻充满热情，但大多数是业余爱好者，很少发表关于他们收集的众多标本的研究。当露丝·帕特里克于1933年抵达学院时，将每位收藏家收集的大量载玻片整理成一个有凝聚力的收藏，是一项艰巨的任务。帕特里克是位业余硅藻爱好者的女儿，七岁时就得到了她的第一个显微镜，她从小就偏爱硅藻，并最终获得了研究这些微观生物的博士学位。尽管她拥有科学资历，但她却被分配去为 untrained 爱好者设置显微镜和载玻片。她花了多年时间才获得这个男性主导的学院的会员资格。但她的坚持得到了回报，1937年她成为 nascent 硅藻标本库的馆长。
帕特里克的首要目标是组织各种收藏品的整合，将其整合成一个统一的、全面的分类学研究来源。当她不在装载和整理载玻片时，她就会在附近的池塘和溪流中收集新的标本，在那里她逐渐体会到了硅藻的生态重要性。
这在她1948年一次前往宾夕法尼亚州康纳斯托加河的考察中得到了明确。这条河流遭受着污水和工业废水的严重污染。当她的团队在河流各处收集样本时，她注意到了硅藻成分中的模式。一些物种的密度在被污水污染的区域激增，而另一些物种则在被化学物质污染的地点茁壮成长。不久，帕特里克就擅长利用某些硅藻的存在来诊断河流和湖泊的污染。这支持了硅藻多样性越丰富，淡水生态系统就越健康的观点——这一见解后来被生态学家称为“帕特里克原理”。
帕特里克革新了利用硅藻监测淡水系统的方法，但将其应用于沿海湿地却滞后了。新泽西州环境保护局（NJDEP）的研究科学家米哈埃拉·埃纳切表示，河口等沿海地带的淡水与海水混合形成的半咸水，创造了动态而复杂的栖息地，混合了内陆和海洋的硅藻。
然而，在近几十年来，海洋已经主导了曾经动态的沿海地带，随着海平面上升而向内陆推进。过去一个世纪，新泽西州沿海的海平面上升了0.45米，是全球平均水平0.18米的双倍多。到2100年，海平面可能上升一米以上。
海平面急剧上升对新泽西州海岸线上错综复杂的湿地造成了灾难性的影响，其中一些已经屈服于海洋。然而，这些湿地损失的全部范围很难确定，因为环境监测的历史只有几十年。
缺乏对湿地自然状况的了解，使得生态恢复变得艰巨。埃纳切表示，拥有这些信息至关重要。“没有它，你就处于黑暗之中。”幸运的是，一些缺失的数据保存在学院的硅藻收藏中。
与大多数沿海地带一样，新泽西州也经历过海平面上升。在更新世时期，当新泽西州被冰雪覆盖，并生活着乳齿象时，海冰吞噬了大量海水。大约18000年前，海平面比现在低130多米——这使得新泽西州的海岸线向大西洋延伸了110公里。
最后一个冰河时代的结束引发了海平面的稳步攀升。退缩的冰盖导致新泽西州部分地区下沉。罗格斯大学的海平面研究员詹妮弗·沃克表示，这种沉降与冰川融水相结合，成为海平面快速上升的有力因素。
沃克去年发表的一项研究回顾了过去，以了解新泽西州当前海平面上升的背景。“如果我们能了解过去温度、大气和海平面变化之间的相互作用，我们就能用它来预测未来的变化。”
为了衡量过去2000年来海平面的波动，她的团队检查了被称为有孔虫的单细胞原生生物的壳。这些有孔虫对特定的环境条件进行了精细校准，因此它们是重建海平面变化的宝贵代理指标。通过识别从泽西海岸不同地点收集的沉积物岩芯中某些有孔虫物种的存在，她的团队得出结论，新泽西州的海岸正经历2000年来最快的海平面上升。
新泽西州环保局希望硅藻也能成为理解沿海湿地如何应对海平面上升的类似工具。与有孔虫一样，每种硅藻都对环境条件极其敏感。例如，像滚柱形*Nitzschia microcephala* 这样的物种在富氮环境中茁壮成长，它们的壳是营养污染的常见标志。而像*Diploneis smithii* 这样的物种，其分节的壳类似于细长的三叶虫，则偏爱含盐的水。它们出现在内陆是过去海平面入侵的良好指标，并帮助研究人员推断哪些湿地过去容易遭受洪水侵袭。
为了确定这些微观指示物曾经存在的位置，新泽西州环保局派遣了一个研究团队到海岸线上的几个湿地进行调查，范围从北部污染严重的湿地到南部近乎原始的潮汐湿地。在每个地点，他们都对湿地泥土进行了钻探取样，在某些地方深度达到两米。埃纳切将这种方法比作切一块叠好的煎饼——你切得越深，实际上就越能回到过去，从刚出锅冒着热气的煎饼回到堆叠底部被弄湿的煎饼。他们挖得越深，研究人员就越能回溯几十年的时间。总共，他们从五个湿地采集了九个岩芯。
随后，新泽西州环保局将沉积物岩芯送往费城，波塔波娃和她的硕士生妮娜·德西安蒂在那里评估了新泽西州沿海湿地随时间推移的硅藻多样性。德西安蒂开始处理硅藻标本，将沉积物样本浸泡在强酸中，以溶解除二氧化硅外的一切，然后将其粘附在载玻片上。结果是将每个湿地的环境历史固定在数千张玻璃载玻片上。然后，他们利用学院已经分类的标本，玩了一个微观的“他是谁”的游戏。但即使是庞大的硅藻标本库也未能提供所有答案——德西安蒂估计，他们从湿地收集的900多种物种中，有三分之一以上是科学界的新发现。
这项艰巨的工作于2019年产生了巨著《新泽西沿海湿地硅藻植物志》（*Diatom Flora of the New Jersey Coastal Wetlands*）。对于初学者来说，这是一系列令人生畏的拉丁文名称和戏剧性的电子显微镜照片的混合体，它们以其无穷无尽的荣耀展示了硅藻。对于埃纳切来说，这是解码新泽西州湿地衰退的关键。通过将硅藻物种组成和现代湿地状况输入建模程序，埃纳切能够描绘出湿地曾经的样子。“硅藻物种是非常珍贵的环境档案，因为我们可以追溯到过去——那时没有人能测量营养物质，没有人能测量 pH 值——而实际上我们可以利用硅藻物种来获得完整的数字，”她说。这些数字帮助她记录了从17世纪中叶欧洲人到来并开始彻底改变该州以来，新泽西州水体中从农业营养物到工业化学品等一切物质的增加情况。
尽管硅藻为我们了解新泽西州湿地的衰退提供了窗口，但它们也为德西安蒂提供了环境复原力的视角。正如该团队利用不同硅藻的耐盐性来绘制过去海平面上升的时期一样，他们也可以利用这些微观藻类来推断这些湿地如何应对海水入侵。
就栖息地而言，湿地是特别动态的。作为陆地和海洋之间的泥泞屏障，沿海湿地储存沉积物，向上堆积以保持在海平面上升之上。当海平面上升的速度超过沉积物堆积速度时，湿地会退缩到内陆，侵入沿海森林。当湿地的咸水渗入地下水时，会杀死树木，形成生态学家称之为“鬼森林”的干枯树干。
尽管沿海湿地本身具有弹性，但人为因素却使它们变得脆弱。在新泽西州，大坝截留了沉积物，剥夺了湿地的建筑材料，而退缩的湿地则与铺砌的道路和度假屋发生冲突。“盐沼在建立栖息地方面必须与我们竞争，”德西安蒂说，她现在利用硅藻为威斯康星州卫生实验室监测营养污染。“结果是，这些盐沼在海平面上升和人类压力之间受到挤压。”
波塔波娃和德西安蒂收集和鉴定的硅藻将帮助新泽西州环保局不仅了解新泽西州沿海湿地如何应对过去的海平面上升，还能为如何恢复这些充满活力的生态系统提供信息。
正如露丝·帕特里克几十年前所发现的，你钻探的池塘泥土越深，硅藻就越多样化，这是健康生态系统的标志。当你检查一个岩芯的较近部分时，这种硅藻多样性通常会减少，因为一些专一性物种，如喜盐的海洋硅藻，会占据主导地位。了解这些嗜盐物种的分布范围，可以揭示哪些生态系统已经屈服于海平面上升，以及在哪里最需要沉积物注入等恢复措施。
硅藻不是应对海平面上升和污染等威胁的灵丹妙药。相反，它们是帮助对抗这些威胁的关键。它们揭示了在很早以前，没有人关注过的原始栖息地是什么样的，并说明了几个世纪以来发生了什么不对劲的事情。为了实施成功的湿地恢复措施，咨询这些微观藻类是明智的。
这就是为什么波塔波娃和德西安蒂在新泽西州沿海湿地采集的硅藻标本，正与帕特里克的标本一起被归档在硅藻标本库的钢制柜中。就像它们在沉积物中存在了数千年一样，学院储存的硅藻标本将为未来的研究人员提供宝贵的数据点，以理解污染和海平面变化。
“硅藻标本库是硅藻研究的宝贵资源，”德西安蒂说。“我相信，在未来，即使我不在了，人们仍然会访问这个收藏，并继续研究环境问题。”她相信，学院深处数万张载玻片中蕴藏着等待被解读的环境突破。
本文首次发表于 Hakai Magazine，经授权转载。
