作者：Noah Planavsky, Ashleigh Hood, Lidya Tarhan, Shuzhong Shen & Kirk Johnson
如果我們要想解開地球復(fù)雜的歷史之謎，就必須對(duì)地質(zhì)樣本進(jìn)行歸檔，讓它們能為所有人所用。
洛杉磯拉布雷亞焦油坑（La Brea Tar Pits）博物館的一名員工正在檢視館藏的化石。來(lái)源：Ted Soqui/Corbis/Getty
地質(zhì)學(xué)家們覺得自己了解基本的地球史。液態(tài)水在這顆星球上已經(jīng)流動(dòng)了40億年[1]。微量的氧氣在大約23億年前開始在大氣中聚集形成[2]。地球還經(jīng)歷過(guò)許多氣候動(dòng)蕩時(shí)期，從7億年的完全冰封[3]到2.5億年前造成超過(guò)80%海洋生物滅絕的急速變暖[4,5]。類似的大起大落不勝枚舉。
地球的故事可以通過(guò)從古代巖石中取得的數(shù)據(jù)來(lái)重建?？呻S著地質(zhì)學(xué)家掌握了更多的信息，這個(gè)故事非但沒有變得明晰，反而更為模糊不清了。在過(guò)去的二十年里，有關(guān)早期地球化學(xué)記錄的很多方面都紛爭(zhēng)四起，這其中包括生命的演化、環(huán)境、以及過(guò)去的長(zhǎng)期氣候（詳見“有爭(zhēng)議的時(shí)間線”）。
舉例來(lái)說(shuō)，碳酸鹽巖中碳同位素比的變化通常被解釋為對(duì)全球環(huán)境劇烈變化的記錄，如長(zhǎng)時(shí)期的火山活動(dòng)或是氧氣含量的急劇增加[6]。與這種看法相反，一部分研究者提出，這類記錄發(fā)生變化的原因是局部環(huán)境過(guò)程的長(zhǎng)期作用，它們反映的并不是關(guān)于遠(yuǎn)古地球歷史的信息[7]。只有用多種不同的地質(zhì)與化學(xué)工具[8,9]對(duì)提供碳同位素?cái)?shù)據(jù)的相同樣本進(jìn)行分析，才能結(jié)束這場(chǎng)爭(zhēng)論。
過(guò)去十年間，有人嘗試用更好的工具和更大的數(shù)據(jù)庫(kù)去解答上述問(wèn)題，但結(jié)果只是加劇了分歧。更糟糕的是，巖石樣本基本都不會(huì)被歸檔或共享。它們通常被存放在研究者的私人收藏里，而不是在便于訪問(wèn)的管理機(jī)構(gòu)，如檔案館或博物館。這樣就產(chǎn)生了問(wèn)題：不同的地球科學(xué)團(tuán)隊(duì)無(wú)法檢驗(yàn)各自的工作、測(cè)試發(fā)表的研究是否嚴(yán)謹(jǐn)及可復(fù)制。
我們呼吁研究人員、博物館、出資人、學(xué)會(huì)和期刊一起確保所有提供已發(fā)表地球化學(xué)數(shù)據(jù)的沉積物和沉積巖樣本都能得到整理和保存，并能為廣大科研工作者所使用。
Source: N. Planavsky et al.
可重復(fù)性危機(jī)
地質(zhì)記錄復(fù)雜且難于詮釋，因此很容易得出互相矛盾的結(jié)論，這主要是基于以下四個(gè)原因。
指標(biāo)與歸檔。若干地球化學(xué)研究方法都可以用來(lái)推斷溫度等指標(biāo)在歷史上的情況。當(dāng)同一種方法用于不同類型的沉積巖時(shí)，就可能出現(xiàn)不一致的情況。比如說(shuō)，化學(xué)沉積物（如燧石、碳酸鹽或磷灰石）中氧的輕重同位素之比可以對(duì)這些礦物形成時(shí)的海水溫度進(jìn)行追跡。但即便是同一塊石頭，根據(jù)測(cè)量時(shí)它是在化石里或是整整一大塊巖石樣本里，重建出的溫度會(huì)有所不同。這是因?yàn)閹r石本質(zhì)上是不同礦物的組合，這些礦物可能是在一塊石頭漫長(zhǎng)地質(zhì)史的不同階段里形成的。了解過(guò)去的氣候意義重大。例如，目前尚不清楚在2.5億年前的“大死亡”（Great Dying）事件中，導(dǎo)致海洋生物滅絕的是否是一波極端高溫。硫化物毒性、海洋酸化及二氧化碳中毒也被認(rèn)為是可能致使該時(shí)期生物死亡的幾種機(jī)制[4]。
類似的問(wèn)題還有大氣中的氧含量是否曾低到足以將動(dòng)物的出現(xiàn)推遲約40億年——即地球的大部分歲月，解決這個(gè)問(wèn)題也就回答了達(dá)爾文提出的復(fù)雜生命在化石記錄中為何出現(xiàn)得如此之晚的難題，而答案則取決于研究的是哪些巖石、采用的分析方法又是什么[8]。譬如，一項(xiàng)分析沉積巖內(nèi)氣泡的研究[9]顯示，地球表面的大氣含氧量早在26億年前就足以支持動(dòng)物的生存了。然而，一批強(qiáng)有力的相反證據(jù)表明，該時(shí)期大氣中的氧氣濃度低到了可以忽略不計(jì)的程度[10,11]。如果不同的科研團(tuán)隊(duì)無(wú)法研究同一批樣本，那么要想改進(jìn)此類指標(biāo)是極具難度的。
空間與時(shí)間上的差異。用于攻克同一個(gè)科研問(wèn)題的巖石樣本通常采自不同的地區(qū)，它們是在不同的時(shí)期以及迥異的環(huán)境下沉積的。這樣科學(xué)家就會(huì)得出完全不同的結(jié)論。以沉積物中汞元素的富集為例，它被用于示蹤火山活動(dòng)的活躍期及其與大滅絕事件的聯(lián)系[12]。然而，汞的富集也可能是因?yàn)橐盎?、或源自?dǎo)致沉積有機(jī)質(zhì)吸取重金屬的局部沉積條件[12]。此外，根據(jù)水深、溶解氧濃度、沉積速率、火山類型及位置等方面的不同[12,13]，各種各樣的地理環(huán)境對(duì)汞富集的記錄也可能不同。這一切會(huì)使得火山活動(dòng)與滅絕事件之間產(chǎn)生偽相關(guān)。要是僅使用已公布的地球化學(xué)數(shù)據(jù)集，是很難將地球系統(tǒng)的時(shí)間長(zhǎng)河里表示全球變化的信號(hào)與局部環(huán)境的變異性相區(qū)分的。
研究分析的可重復(fù)性。即便是在巖石保存完好的情況下，實(shí)驗(yàn)也可能很難重復(fù)。按照常規(guī)做法，巖石的量度是與地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（它們的構(gòu)成是國(guó)際上公認(rèn)的）作過(guò)比對(duì)的，但在分析過(guò)程中總會(huì)有犯錯(cuò)的可能。錯(cuò)誤的來(lái)源包括樣本準(zhǔn)備（比如碎石的技術(shù)或用于制備樣品的酸的種類）和儀器（類型、調(diào)試）上的不同、以及實(shí)驗(yàn)室條件的差異。比如說(shuō)，測(cè)量海洋碳酸鹽的硼同位素是重建大氣二氧化碳含量的重要工具之一[14]，但不同測(cè)量方法對(duì)二氧化碳含量的估算值可能相差400 ppm（百萬(wàn)分率）以上[14,15]——大致等于如今大氣中二氧化碳的總濃度。
污染與蝕變。沉積物在成巖時(shí)發(fā)生的許多過(guò)程都能改變顯示其形成地點(diǎn)與方式的地球化學(xué)信號(hào)。海底或湖底的沉積物會(huì)經(jīng)歷水位或鹽度的變化（比如來(lái)自融水的沖刷）。水熱過(guò)程和深層熱量可能會(huì)浸出巖石里的化學(xué)物質(zhì)，進(jìn)而改變其礦物構(gòu)成。
在接近地表的位置采集的巖石會(huì)因地下水或其它污染物（如用來(lái)鉆取巖芯的油）而發(fā)生變化。拿巖石中的有機(jī)殘留物來(lái)說(shuō)，它們?cè)徽J(rèn)為是27億年前的早期光合微生物生產(chǎn)氧氣的證據(jù)，但現(xiàn)在則被承認(rèn)很可能來(lái)自用于從地表鉆取巖石的現(xiàn)代石油產(chǎn)品的污染[16]。類似地，古代巖石的化學(xué)組成是不是對(duì)可追溯至30億年前的微生物產(chǎn)氧現(xiàn)象的記錄，抑或這些巖石是否已經(jīng)因接觸了近代的地下水而受到影響[17]，關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的爭(zhēng)論仍十分激烈。
位于英國(guó)貝爾法斯特的北愛爾蘭地質(zhì)勘探局的巖芯樣本。來(lái)源：Stephen Barnes/Science/Alamy
重要目標(biāo)
要是無(wú)法查看及重測(cè)樣本，就很難確定研究結(jié)果與觀點(diǎn)之間的差異是因?yàn)榈厍驓v史的復(fù)雜性、對(duì)有著不同程度蝕變的巖石的取樣、或者是分析過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。然而樣本歸檔并非無(wú)機(jī)或有機(jī)地球化學(xué)研究標(biāo)準(zhǔn)操作流程的一部分。除了像海洋巖芯或冰芯這樣的樣本會(huì)被儲(chǔ)存起來(lái)，古氣候?qū)W研究一般也沒有歸檔操作。
這種情況是如何出現(xiàn)的呢？很多科學(xué)家并不愿意分享他們費(fèi)盡千辛萬(wàn)苦采集而來(lái)的樣本。畢竟，在巖石露頭區(qū)開展的野外工作還有鉆探項(xiàng)目都是開銷很大的。研究團(tuán)隊(duì)也許想對(duì)一組樣本進(jìn)行多項(xiàng)地球化學(xué)研究，而這需要時(shí)間。使用非傳統(tǒng)同位素系統(tǒng)的大規(guī)模研究可能要好幾年才能產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)[18]。
樣本歸檔面臨的其它問(wèn)題包括怎樣獲取經(jīng)費(fèi)、在哪里存放樣本、以及如何對(duì)它們進(jìn)行管理。顯然，沒有哪一家博物館能夠裝得下全部地質(zhì)與地球化學(xué)樣本。要容納這些館藏品的話，博物館需要更多的人手、空間和資金。
其它領(lǐng)域?qū)颖練w檔的嘗試也許可以被用來(lái)當(dāng)作模板，這其中包括全球基因組計(jì)劃（Global Genome Initiative），這是一個(gè)冷凍組織儲(chǔ)存庫(kù)的共享數(shù)據(jù)協(xié)議（詳見go.nature.com/3f4erur）；此外還有存儲(chǔ)生物學(xué)數(shù)字化數(shù)據(jù)的生物標(biāo)本數(shù)字化平臺(tái)項(xiàng)目。這些樣本檔案及其附屬信息的全球數(shù)據(jù)庫(kù)是建立在像國(guó)際地質(zhì)樣本編號(hào)（IGSN）這類項(xiàng)目上的，我們也需要它們來(lái)分配唯一標(biāo)識(shí)符，并維護(hù)不同館藏之間的記錄。
地球科學(xué)的部分領(lǐng)域已經(jīng)開始在公立博物館里存放樣本了。例如，古生物學(xué)家就被要求把在科學(xué)著作中正式描述的標(biāo)本存到博物館，這種做法已經(jīng)延續(xù)了150多年。同樣，博物館保管著化石、隕石和生物樣本的模式標(biāo)本。而像國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（International Ocean Discovery Program，詳見go.nature.com/2xoumhh）那樣資金充裕的鉆探項(xiàng)目也有著嚴(yán)格的歸檔政策和管理完善的巖芯庫(kù)。
FAIR數(shù)據(jù)計(jì)劃為數(shù)據(jù)歸檔提供了嚴(yán)密的指導(dǎo)準(zhǔn)則，它已經(jīng)被包括《科學(xué)》和《自然》在內(nèi)的許多發(fā)表地球科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究的期刊所采納（詳見go.nature.com/2wv2jxd）。盡管該計(jì)劃推薦的最佳實(shí)踐里已經(jīng)包括了樣本歸檔，但它還沒有被當(dāng)作科研發(fā)表的一項(xiàng)正式要求來(lái)嚴(yán)格執(zhí)行。
齊心協(xié)力
研究者、自然博物館、期刊編輯、學(xué)會(huì)和出資方必須攜手制定并落實(shí)標(biāo)準(zhǔn)化的歸檔政策。我們?cè)诖私ㄗh采取以下步驟。
地球化學(xué)家應(yīng)視存放標(biāo)本到博物館為常規(guī)。為了鼓勵(lì)大家同意這個(gè)提案，我們倡議對(duì)每組已有地球化學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)表的樣本設(shè)立限時(shí)禁發(fā)期，以延滯其它團(tuán)隊(duì)新研究的發(fā)布。地球化學(xué)家也必須與博物館合作來(lái)拓展館藏品的傳統(tǒng)定義。新定義將包括一系列不同的物質(zhì)—從拳頭大小的標(biāo)本到巖石碎片、粉末和礦物顆粒。地球化學(xué)家還應(yīng)與保護(hù)地的管理者一起促進(jìn)將歸檔政策及相關(guān)流程納入到地球化學(xué)樣本采集的研究許可里。
自然博物館的辦館宗旨應(yīng)納入地質(zhì)樣本的歸檔與管理。它們應(yīng)該分配能夠錄入進(jìn)數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)的唯一標(biāo)識(shí)符。由于地球化學(xué)測(cè)試會(huì)破壞樣本，管理者必須決定一份樣本中有多少可以拿去做那樣的測(cè)試。在資源緊張的時(shí)候，博物館還需要評(píng)估館藏品對(duì)空間和財(cái)務(wù)的要求及其在科研上的價(jià)值，以確定哪些樣本在管理上是最優(yōu)先的。
相關(guān)學(xué)會(huì)則必須著手解決這個(gè)問(wèn)題：一個(gè)可接受的儲(chǔ)存庫(kù)的構(gòu)成要素是什么。比如國(guó)際隕石學(xué)會(huì)的隕石命名委員會(huì)就處理了該問(wèn)題。像國(guó)際地球化學(xué)學(xué)會(huì)和歐洲地球化學(xué)協(xié)會(huì)這樣的組織應(yīng)該開始倡導(dǎo)合適的制度了。
近幾十年來(lái)的發(fā)展顯示，在明確的指導(dǎo)準(zhǔn)則和編輯命令到位的情況下，是有可能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔領(lǐng)域的快速轉(zhuǎn)變的。因此，我們希望看到期刊通過(guò)要求論文必須進(jìn)行樣本歸檔及分配數(shù)據(jù)庫(kù)唯一標(biāo)識(shí)符，來(lái)進(jìn)一步地支持FAIR數(shù)據(jù)計(jì)劃。
很多科研期刊用檢查表來(lái)管理數(shù)據(jù)的歸檔。我們建議在樣本歸檔上也采取這種做法，同時(shí)也建議在每篇論文里附上由儲(chǔ)存庫(kù)發(fā)布的樣本標(biāo)識(shí)符、以及像IGSN等跨機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)項(xiàng)目分配的唯一標(biāo)識(shí)符。所有領(lǐng)域內(nèi)重大變革的發(fā)生都需要時(shí)間，而編輯層面的改變能助其一臂之力。只要在剛開始要求存放樣本遭拒的時(shí)候?qū)w檔命令網(wǎng)開一面，期刊應(yīng)可在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)落實(shí)這些政策。
出資方應(yīng)當(dāng)要求研究人員把樣本歸檔的步驟寫進(jìn)項(xiàng)目申請(qǐng)書，并將相關(guān)的管理費(fèi)用納入預(yù)算。批評(píng)者可能會(huì)說(shuō)，歸檔會(huì)減少其它科研活動(dòng)可用的資金。在我們看來(lái)，樣本管理方案應(yīng)被視作與數(shù)據(jù)歸檔、版面費(fèi)或機(jī)構(gòu)管理費(fèi)用一樣的分項(xiàng)預(yù)算條目，這些開銷支撐著科研工作流程的其它重要組成部分。
我們強(qiáng)烈反對(duì)統(tǒng)一收費(fèi)。樣本的性質(zhì)與大小相去甚遠(yuǎn)，從公斤級(jí)的物體到分離出的微克級(jí)礦物都有。因此對(duì)于博物館來(lái)說(shuō)，開銷也將相應(yīng)地取決于它們的資源和專業(yè)性。不過(guò)，我們相信博物館能夠與出資方及研究者一起確保相關(guān)費(fèi)用實(shí)現(xiàn)自調(diào)整。
古生物樣本的館藏為我們需要怎么做提供了可借鑒之處。它們還證明了大規(guī)模歸檔的可能性。舉例來(lái)說(shuō)，耶魯大學(xué)皮博迪自然博物館的無(wú)脊椎古生物學(xué)部門擁有約450萬(wàn)件標(biāo)本，而且平均一年里還有2000多件新品入藏。除研究館員外，該部門還有其他兩名全職員工提供支持，其中一位專門負(fù)責(zé)處理新入館的藏品。
我們估計(jì)每年大約有20萬(wàn)新的沉積地球化學(xué)樣本得到分析。因此我們?cè)诖酥厣?，它們的管理費(fèi)用——即便只是微不足道的一小塊——也應(yīng)該被算進(jìn)研究經(jīng)費(fèi)申請(qǐng)的預(yù)算部分。不論當(dāng)前各家博物館有多少可用空間和管理上的支持，都需要額外的資金來(lái)滿足沉積地球化學(xué)樣本的歸檔需求。
我們?cè)谶@里提出的指導(dǎo)準(zhǔn)則將需要經(jīng)過(guò)學(xué)界和機(jī)構(gòu)的討論及修訂。盡管如此，所有最佳實(shí)踐都必須建立在各方面的共同努力之上，這樣才能確?？蒲袛?shù)據(jù)與科研樣本不分家。
1. Cavosie, A. J., Valley, J. W. & Wilde, S. A. Earth Planet. Sci. Lett. 235, 663–681 (2005).
2. Farquhar, J., Bao, H. & Thiemens, M. Science 289, 756–758 (2000).
3. Hoffman, P. F. et al. Sci. Adv. 3, e1600983 (2017).
4. Fan, J.-X. et al. Science 367, 272–277 (2020).
5. Sun, Y. D. et al. Science 338, 366–370 (2012).
6. Nutman, A. P., Bennett, V. C., Friend, C. R. L., Van Kranendonk, M. J. & Chivas, A. R. Nature 537, 535–538 (2016).
7. Allwood, A. C., Rosing, M. T., Flannery, D. T., Hurowitz, J. A. & Heirwegh, C. M. Nature 563, 241–244 (2018).
8. Cole, D. B. et al. Geobiology 18, 260–281 (2020).
9. Steadman, J. A. et al. Precambr. Res. 340, 105722 (2020).
10. Luo, G. et al. Sci. Adv. 2, e1600134 (2016).
11. Lyons, T. W., Reinhard, C. T. & Planavsky, N. J. Nature 506, 307–315 (2014).
12. Grasby, S. E., Them, T. R., Chen, Z., Yin, R. & Ardakani, O. H. Earth-Sci. Rev. 196, 102880 (2019).
13. Percival, L. M. E. et al. Am. J. Sci. 318, 799–860 (2018).
14. Foster, G. L. et al. Chem. Geol. 358, 1–14 (2013).
15. Henehan, M. J. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 116, 22500–22504 (2019).
16. French, K. L. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 112, 5915–5920 (2015).
17. Albut, G. et al. Geochim. Cosmochim. Acta 265, 330–353 (2019).
18. Isson, T. T. et al. Geobiology 16, 341–352 (2018).
原文以 Store and share ancient rocks為標(biāo)題發(fā)表在2020年5月11日的《自然》評(píng)論版塊
聯(lián)系客服
