北极熊为什么不吃企鹅?标准答案是北极没有企鹅。这有点脑筋急转弯的意思。据考证，北极原来是有企鹅的，被称为大企鹅。北极熊可不是吃素的，肥嘟嘟的大企鹅落到嘴边哪有不吃之理，只是现在大企鹅已经灭绝了。大企鹅是在人类探险、北欧海盗进入北冰洋的过程中被大量捕食而逐渐灭绝的，也许更重要的是，它们的生存环境太脆弱了。大企鹅不像南极的企鹅有丰富的磷虾作为食物，它们还要面对北极熊这样的天敌，人类可能只是压垮北极大企鹅种群的最后一根稻草。不幸的是，导致地球上物种加速灭绝的最后一根稻草常常是文明的人类。

　　那么，南极的企鹅还好吗?面对步步逼近的全球气候变暖，它们会不会重蹈北极大企鹅的覆辙呢?

　　企鹅也害怕寒冷

　　企鹅是南极最重要的动物种群之一，占南极鸟类生物量的90%以上。人类对南极鸟类的考察和研究最早可追溯到19世纪中叶，但直到最近几十年，人们才开始关注企鹅的现实生存状态和它们未来的命运。全球变暖是导致这种关切的最重要的原因。企鹅是怎样应对气候变化的呢?仅仅依靠过去几十年来的气候变化数据和几个地区的企鹅数量统计结果是不可能得到正确判断的，这需要考察企鹅的历史。历史是窥探未来的窗口，如同英国地质学家莱伊尔所说的，现在是了解过去的钥匙。

　　遗憾的是，企鹅没有给我们留下“文献记录”，也没留下“秦砖汉瓦”，它们留下的遗迹或遗物太少而且不容易辨认。相对于地球历史的时间尺度，千年只是弹指一挥间，对于考证企鹅生态几千年来的变化，几十厘米厚的沉积层实在是杯水车薪。

　　然而，探索企鹅历史对于有好奇心的科学家来说，实在太有诱惑力了。他们进行了不懈的努力，从废弃的企鹅巢穴中寻找残存的骨片，然后对骨骼进行碳14定年，根据测年结果的数据统计，确定在某个历史时期某地企鹅何时来、何时去、何时多、何时少。这实际上是移植了人类学考古方法，但是这样的结果只能粗略地回答什么时候“有”或“无”的问题，没有办法解决企鹅连续变化的历史及其与气候环境变化的关系。另有一些学者根据单位泥土层中所含有的海豹毛数量的变化，推测近200年来海豹数量的变化。这种方法虽然存在不确定性，但很有趣，也说明了南极生态考古的艰难和无奈。

　　20年前，我们用企鹅粪土层作为载体去探寻人类活动在多大程度上影响了企鹅有机体中的物质组成，同时通过企鹅粪土层的元素变化去寻找企鹅粪的含量变化，进而探究企鹅生态变化的历史记录。我们在南极长城站区阿德雷岛企鹅特别保护区的湖泊中采集了一段67.5厘米长的泥芯，对每厘米样品进行27种元素的定量分析，又用碳14定年的方法确定这是一段大约“3000岁”的泥芯。

　　企鹅粪土层剖面

　　研究结果显示：锶、氟、硫、磷、硒、钡、钙、铜和锌9种元素的丰度变化显著相关，随深度同步变化;这9种元素丰度比非企鹅聚集区沉积物中的元素丰度高得多，磷的含量局部高达15%。磷的高度富集等特征表明，这是一个含企鹅粪的元素组合，它们是企鹅粪的标志性元素。根据标型元素的浓度可以确定含粪量的相对变化，进而推定该地区企鹅种群数量的相对变化。应用这个新的研究方法，我们得到了企鹅种群数量的波动及其对气候变化的响应过程。

　　我们的研究发现，在过去大约3000年中，在人类未曾干预的情况下，企鹅数量发生过显著波动。其中距今1800~1400年气候相对温和时期数量达到极大值;距今2300~1800年小冰期时数量锐减。这表明气候冷暖变化是控制企鹅种群盛衰的主要因素。看起来，企鹅也害怕寒冷，对它们来说天气还是暖和一点好。我们的论文发表在2000年的《自然》上。

　　这个研究结论引起了国内外科学和新闻媒体的广泛关注，被认为是“研究南极湖泊集水区企鹅生态变化的新颖的生物地球化学方法”，它打开了认识企鹅生态史的大门。有了打开南极企鹅生命历史大门的钥匙，我们就可能在南极生态环境的历史隧道中穿行，那些掩盖往事的烟云将被排除。20年过去了，我们已经可以解说更多有关企鹅的生命故事了。

　　侦破小企鹅集体死亡“惨案”

　　2016年，中国科学技术大学极地环境研究室的博士生高月嵩随中国第33次南极考察队去南极中山站考察，考察期间乘直升机去了澳大利亚的戴维斯站。他与澳大利亚的现代生态学家一起考察时，在站区附近的长半岛采集了多个粪土沉积剖面。按照常规的研究技术路线，发现了保存企鹅粪的最老地层，距今已有14600年。这表明那个时候企鹅已经在本地区登陆，它打破了末次冰期后企鹅在东南极登陆时间最早的纪录。

　　对我们而言，这个发现并不算意外。有趣的是，在野外采样过程中，考察队员发现部分地区有废弃的企鹅巢穴和数量惊人的小企鹅木乃伊，其中一些靠近海岸，高出海平面10多米，另一些分布在海拔10~30米的平坦缓坡上。在南极，这是两个不多见的巨大企鹅“墓园”。它们可能代表着两次不知原因的生态灾难事件。

　　我们首先对高海拔处的企鹅残骨和羽毛以及含粪泥炭层进行了碳14测年。结果表明，有多个沉积剖面开始发育的时代为距今3500~2000年，它们记录着那个时期以来企鹅生态和环境的历史。大部分沉积柱中都有一个表层厚约20厘米的沉积层，这个非常特别的层位中多个层次的年龄都是距今750年。剖面研究还发现，在地表20厘米以下，每沉积1厘米需要几十年到上百年，而地表20厘米厚的沉积却几乎是同时发生的。显然，距今750年前后的很短时间内，当地可能发生了一个不同寻常的事件。

　　另一个测试指标——标型元素的含量分析结果也很不寻常。在4个剖面中有3个剖面的顶部，其上大约20厘米厚的沉积物里都富集了磷和硫等企鹅粪土层的标志性元素。这通常标志着企鹅种群数量的突然增高。在其中一个剖面中，在顶部20厘米的层位中还罕见地保存了一个小企鹅木乃伊，年代也是距今750年。地表暴露的企鹅木乃伊的碳14年龄与此一致，也是距今750年。

　　这表明小企鹅的死亡事件是在一个时间段同时发生的。据此可以合理推测，地表木乃伊原来是被沉积物覆盖才保存起来的，这些沉积物大概在距今750年前形成，后来表层沉积物被雪融水或风侵蚀掉了，这样一来小企鹅就“暴尸”了。但是，它们惨遭集体“屠杀”的原因是什么呢?“凶手”是谁呢?

　　我发现，在一张有大量企鹅木乃伊的照片下部，木乃伊和企鹅筑巢用的石子呈条带状平行排列，而且企鹅脑袋一致向下偏，有被水流推动过的痕迹。这引发了降水导致生态灾难的猜想。

　　一场强降雨有可能导致企鹅的大量灾难性死亡，但是死亡的都是小企鹅，没有发现成年企鹅的尸体;因此不大可能是大规模山洪暴发，现场也没有暴发山洪的地形条件。更可能的原因是，小企鹅在换去胎毛前，羽毛缺少油性物质，在强降雨导致成年企鹅逃逸后，小企鹅被雨水浸湿，极易冻伤乃至死亡。照片上显示的小企鹅排列方式与雨后的流水动力作用有关。但我们需要寻找更多证据来支持“降水假说”。

　　南极现在发生过这样的事吗?法国生态学家发现，2013—2014年几场连续的降雪和罕见的降雨，导致法国南极科考站企鹅繁殖地当年孵化的几万只小企鹅无一存活。

　　按照猜想，如果历史上发生过强降水，那不可能是孤立的气候事件，在邻近地区同样可能会有降雨发生，因此一定会在附近的湖泊沉积中找到降雨的证据。过去十几年来，我们在毗邻戴维斯站的我国中山站区开展了湖泊沉积的研究，发现距今750年前后的地层中有快速沉积和沉积物粒度变粗的层位。这是水动力加强和物质搬运加速的证据，表明确实发生过强降雨事件。

　　同时，极地科学家在南极冰芯和南半球的气压模型重建中都发现，在该时间段，气候冷暖交替，降水增多。强降雨是南极气候冷暖交替过程中的极端天气事件。严寒、暴雪和狂风吓不倒小企鹅，它们有父母亲的保护可以安然度过，但是，它们的皮肤不能抵御冰水，降雨成为威胁小企鹅生态安全的头号杀手。位于海岸边“墓园”中的小企鹅是在距今200年时蒙难的，“凶手”可能同样是一场强降雨。

　　球气候变暖的背景下，极端气候事件频发的可能性似乎在加大，对企鹅来说，这不是一个好消息。企鹅的命运将面临新的挑战和威胁，也许这是全球新闻媒体如此关注企鹅生态灾难事件的原因。但是，无论是冷暖交替，还是暖冷交替，都只是全球气候变化过程中的拐点，当变化后的暖或者冷成为新常态时，极端天气事件还会频繁发生吗?这些问题有待我们继续研究下去。

　　企鹅为什么搬进海豹的家

　　从历史上冰期和间冰期的反复转换、暖期和冷期的不断更迭中，我们看到企鹅数量不断随之发生变化，但并没有企鹅种群灭绝的事情发生，我相信当下企鹅还没有太大的生存风险。它们已经在地球上生存了几千万年，经受了严寒和暖冬等极端天气事件的考验，它们还会继续生存下去。从我们的研究结果来看，企鹅有应对气候变化的多样性选择和策略。

　　2011年，在位于南极罗斯海海湾的美国麦克默多站，我们进行了最有趣也最具挑战性的工作。我们在企鹅粪土层中取得一段长约 35 厘米的泥芯，在进行元素分析后发现了一个奇怪现象：企鹅数量在冷期上升了。这是一个此前未曾发现的异常，而且是一个可靠的异常。

　　我与谢周清教授都极为兴奋，我们总是为“异常”兴奋，因为可靠的异常是点燃发现的引线。我们还注意到一个有趣的异常现象：在企鹅粪土层底部的泥芯中有一段没有企鹅粪却含有大量海豹毛的海豹粪土层层位。这意味着，这个泥芯记录了海豹出走、企鹅进入的海洋生物在海岸带迁徙的过程。“鹅占豹巢”显然不是企鹅用武力胁迫的。那么，海豹为什么要离开自己的聚居地呢?

　　我们对罗斯海区域企鹅海豹粪土层沉积物进行了分子标志物测定，恢复了过去700年来该地区企鹅、海豹和植被的生态历史。结果发现，该地区从过去1000年来最寒冷的小冰期(公元1500—1800年)开始，海豹聚居区转变为企鹅聚居区。

　　海豹走了，企鹅来了，企鹅为什么要搬进人家的“老屋”呢?海豹在海岸带总是占据最有利于生存的岛屿北侧地带，这里地形较为平坦，而且常常能避开强烈的下降风(南风)。在冰期到来时，海豹的出走表明，它们不能适应恶化的生存环境，而分布在岛屿南侧的企鹅聚居地的环境显然更加恶劣了。企鹅在强烈的下降风的袭击下，也离开原来的聚居地寻找出路，海豹的空巢显然是理想的去处。

　　岛屿南部的企鹅群落可能最先不能承受强烈的下降风侵袭，来到岛的北缘，特殊的海湾地形为企鹅提供了避风港。随着冷期的持续，各地的企鹅开始陆续迁移到宜居的地方。看起来，在冷期，并不是企鹅数量增加了，而是局部有利于企鹅生存的地方增加了;与此同时，也有许多企鹅聚居地消失了，可以推定，不少企鹅聚居地的企鹅数量锐减。

　　企鹅在小冰期的聚集带来了捕食的问题，如果没有食物来源，罗斯湾的避风港也留不住这些客人。前人在本地区的研究表明，罗斯湾的海冰面积在冰期会显著扩大，这对捕食是很不利的。好在此时罗斯湾冰原强劲的下降风会吹碎海冰，打开一些缺口，形成众多的冰间湖，这为企鹅的捕食创造了条件。湖水和冰下的冰藻繁盛，它们是磷虾最美味的食粮，丰富的食料促进了磷虾的生长和繁殖，为企鹅的生存提供了有利条件。

　　企鹅的生存智慧是在恶劣的环境中磨炼出来的。面对严酷的自然环境，企鹅们总能选择一种适当的方式来面对。它们的生存智慧令人心生感动。2013年，我们的论文《企鹅在冷期数量增加》引起了国际媒体的广泛关注。《自然》网站当年8月23日头版头条予以报道，英国广播公司(BBC)、美国全国广播公司(NBC)等国际媒体和我国的主流媒体纷纷对我和谢周清教授进行了采访。美国广播公司还采访了与刘晓东教授一起参加野外考察的合作者美国学者斯蒂文教授。

　　媒体广泛关注的原因可能是，企鹅在冷期数量增加的“异常”说明了生物适应环境能力的多样性——在常识之外，还有其他可能。更重要的是，我们不必太为企鹅们担心，那些认为帝企鹅可能在21世纪末绝灭的科学家也许过虑了。从过去1万多年来企鹅与气候变化的历史来看，我是乐观的。我们要相信企鹅家族有足够的生存智慧渡过全球变暖的难关。不过，话说回来，如果人类不能管好自己，任“文明”放纵，也许最先受伤害的就是可爱的南极企鹅们，因为它们的生存环境已经非常恶劣了。我们还是做好自己，不做那“最后一根稻草”吧。

　　文/孙立广

本文来自《科学画报》