2020-11-26
如果我们要想解开地球复杂的历史之谜，就必须对地质样本进行归档，让它们能为所有人所用。
洛杉矶拉布雷亚焦油坑（La Brea Tar Pits）博物馆的一名员工正在检视馆藏的化石。| 来源：Ted Soqui/Corbis/Getty
地质学家们觉得自己了解基本的地球史。液态水在这颗星球上已经流动了40亿年 [1]。微量的氧气在大约23亿年前开始在大气中聚集形成 [2]。地球还经历过许多气候动荡时期，从7亿年的完全冰封 [3]到2.5亿年前造成超过80%海洋生物灭绝的急速变暖 [4,5]。类似的大起大落不胜枚举。
地球的故事可以通过从古代岩石中取得的数据来重建。可随 着地质学家掌握了更多的信息，这个故事非但没有变得明晰，反而更为模糊不清了。在过去的二十年里，有关早期地球化学记录的很多方面都纷争四起，这其中包括生命的演化、环境、以及过去的长期气候 （详见“有争议的时间线”）。
举例来说，碳酸盐岩中碳同位素比的变化通常被解释为对全球环境剧烈变化的记录，如长时期的火山活动或是氧气含量的急剧增加 [6]。与这种看法相反，一部分研究者提出，这类记录发生变化的原因是局部环境过程的长期作用，它们反映的并不是关于远古地球历史的信息 [7]。只有用多种不同的地质与化学工具 [8,9]对提供碳同位素数据的相同样本进行分析，才能结束这场争论。
过去十年间，有人尝试用更好的工具和更大的数据库去解答上述问题，但结果只是加剧了分歧。更糟糕的是， 岩石样本基本都不会被归档或共享。它们通常被存放在研究者的私人收藏里，而不是在便于访问的管理机构，如档案馆或博物馆。这样就产生了问题：不同的地球科学团队无法检验各自的工作、测试发表的研究是否严谨及可复制。
我们呼吁研究人员、博物馆、出资人、学会和期刊一起确保所有提供已发表地球化学数据的沉积物和沉积岩样本都能得到整理和保存，并能为广大科研工作者所使用。
Source: N. Planavsky et al.
可重复性危机
地质记录复杂且难于诠释，因此很容易得出互相矛盾的结论，这主要是基于以下四个原因。
指标与归档。若干地球化学研究方法都可以用来推断温度等指标在历史上的情况。当同一种方法用于不同类型的沉积岩时，就可能出现不一致的情况。比如说，化学沉积物 （如燧石、碳酸盐或磷灰石）中氧的轻重同位素之比可以对这些矿物形成时的海水温度进行追迹。但即便是同一块石头，根据测量时它是在化石里或是整整一大块岩石样本里，重建出的温度会有所不同。这是因为岩石本质上是不同矿物的组合，这些矿物可能是在一块石头漫长地质史的不同阶段里形成的。了解过去的气候意义重大。例如，目前尚不清楚在2.5亿年前的“大死亡” （Great Dying）事件中，导致海洋生物灭绝的是否是一波极端高温。硫化物毒性、海洋酸化及二氧化碳中毒也被认为是可能致使该时期生物死亡的几种机制 [4]。
类似的问题还有大气中的氧含量是否曾低到足以将动物的出现推迟约40亿年——即地球的大部分岁月，解决这个问题也就回答了达尔文提出的复杂生命在化石记录中为何出现得如此之晚的难题，而答案则取决于研究的是哪些岩石、采用的分析方法又是什么 [8]。譬如，一项分析沉积岩内气泡的研究[9]显示，地球表面的大气含氧量早在26亿年前就足以支持动物的生存了。然而，一批强有力的相反证据表明，该时期大气中的氧气浓度低到了可以忽略不计的程度 [10,11]。如果不同的科研团队无法研究同一批样本，那么要想改进此类指标是极具难度的。
空间与时间上的差异。用于攻克同一个科研问题的岩石样本通常采自不同的地区，它们是在不同的时期以及迥异的环境下沉积的。这样科学家就会得出完全不同的结论。以沉积物中汞元素的富集为例，它被用于示踪火山活动的活跃期及其与大灭绝事件的联系 [12]。然而，汞的富集也可能是因为野火、或源自导致沉积有机质吸取重金属的局部沉积条件 [12]。此外，根据水深、溶解氧浓度、沉积速率、火山类型及位置等方面的不同 [12,13]，各种各样的地理环境对汞富集的记录也可能不同。这一切会使得火山活动与灭绝事件之间产生伪相关。要是仅使用已公布的地球化学数据集，是很难将地球系统的时间长河里表示全球变化的信号与局部环境的变异性相区分的。
研究分析的可重复性。即便是在岩石保存完好的情况下，实验也可能很难重复。按照常规做法，岩石的量度是与地球化学标准物质 （它们的构成是国际上公认的）作过比对的，但在分析过程中总会有犯错的可能。错误的来源包括样本准备 （比如碎石的技术或用于制备样品的酸的种类）和仪器 （类型、调试）上的不同、以及实验室条件的差异。比如说，测量海洋碳酸盐的硼同位素是重建大气二氧化碳含量的重要工具之一 [14]，但不同测量方法对二氧化碳含量的估算值可能相差400 ppm （百万分率）以上 [14,15]——大致等于如今大气中二氧化碳的总浓度。
污染与蚀变。沉积物在成岩时发生的许多过程都能改变显示其形成地点与方式的地球化学信号。海底或湖底的沉积物会经历水位或盐度的变化 （比如来自融水的冲刷）。水热过程和深层热量可能会浸出岩石里的化学物质，进而改变其矿物构成。
在接近地表的位置采集的岩石会因地下水或其它污染物 （如用来钻取岩芯的油）而发生变化。拿岩石中的有机残留物来说，它们曾被认为是27亿年前的早期光合微生物生产氧气的证据，但现在则被承认很可能来自用于从地表钻取岩石的现代石油产品的污染 [16]。类似地，古代岩石的化学组成是不是对可追溯至30亿年前的微生物产氧现象的记录，抑或这些岩石是否已经因接触了近代的地下水而受到影响 [17]，关于这个问题的争论仍十分激烈。
位于英国贝尔法斯特的北爱尔兰地质勘探局的岩芯样本。| 来源：Stephen Barnes/Science/Alamy
重要目标
要是无法查看及重测样本，就很难确定研究结果与观点之间的差异是因为地球历史的复杂性、对有着不同程度蚀变的岩石的取样、或者是分析过程中出现的问题。然而 样本归档并非无机或有机地球化学研究标准操作流程的一部分。除了像海洋岩芯或冰芯这样的样本会被储存起来，古气候学研究一般也没有归档操作。
这种情况是如何出现的呢？很多科学家并不愿意分享他们费尽千辛万苦采集而来的样本。毕竟，在岩石露头区开展的野外工作还有钻探项目都是开销很大的。研究团队也许想对一组样本进行多项地球化学研究，而这需要时间。使用非传统同位素系统的大规模研究可能要好几年才能产生一组数据 [18]。
样本归档面临的其它问题包括怎样获取经费、在哪里存放样本、以及如何对它们进行管理。显然，没有哪一家博物馆能够装得下全部地质与地球化学样本。要容纳这些馆藏品的话，博物馆需要更多的人手、空间和资金。
其它领域对样本归档的尝试也许可以被用来当作模板，这其中包括全球基因组计划 （Global Genome Initiative），这是一个冷冻组织储存库的共享数据协议 （详见go.nature.com/3f4erur）；此外还有存储生物学数字化数据的生物标本数字化平台项目。这些样本档案及其附属信息的全球数据库是建立在像国际地质样本编号 （IGSN）这类项目上的，我们也需要它们来分配唯一标识符，并维护不同馆藏之间的记录。
地球科学的部分领域已经开始在公立博物馆里存放样本了。例如，古生物学家就被要求把在科学著作中正式描述的标本存到博物馆，这种做法已经延续了150多年。同样，博物馆保管着化石、陨石和生物样本的模式标本。而像国际大洋发现计划 （International Ocean Discovery Program，详见go.nature.com/2xoumhh）那样资金充裕的钻探项目也有着严格的归档政策和管理完善的岩芯库。
FAIR数据计划为数据归档提供了严密的指导准则，它已经被包括《科学》和《自然》在内的许多发表地球科学与环境科学研究的期刊所采纳（ 详见go.nature.com/2wv2jxd）。尽管该计划推荐的最佳实践里已经包括了样本归档，但它还没有被当作科研发表的一项正式要求来严格执行。
齐心协力
研究者、自然博物馆、期刊编辑、学会和出资方必须携手制定并落实标准化的归档政策。我们在此建议采取以下步骤。
地球化学家应视存放标本到博物馆为常规。为了鼓励大家同意这个提案，我们倡议对每组已有地球化学数据发表的样本设立限时禁发期，以延滞其它团队新研究的发布。地球化学家也必须与博物馆合作来拓展馆藏品的传统定义。新定义将包括一系列不同的物质—从拳头大小的标本到岩石碎片、粉末和矿物颗粒。地球化学家还应与保护地的管理者一起促进将归档政策及相关流程纳入到地球化学样本采集的研究许可里。
自然博物馆的办馆宗旨应纳入地质样本的归档与管理。它们应该分配能够录入进数字化数据库的唯一标识符。由于地球化学测试会破坏样本，管理者必须决定一份样本中有多少可以拿去做那样的测试。在资源紧张的时候，博物馆还需要评估馆藏品对空间和财务的要求及其在科研上的价值，以确定哪些样本在管理上是最优先的。
相关学会则必须着手解决这个问题：一个可接受的储存库的构成要素是什么。比如国际陨石学会的陨石命名委员会就处理了该问题。像国际地球化学学会和欧洲地球化学协会这样的组织应该开始倡导合适的制度了。
近几十年来的发展显示，在明确的指导准则和编辑命令到位的情况下，是有可能实现数据归档领域的快速转变的。因此，我们希望看到期刊通过要求论文必须进行样本归档及分配数据库唯一标识符，来进一步地支持FAIR数据计划。
很多科研期刊用检查表来管理数据的归档。我们建议在样本归档上也采取这种做法，同时也建议在每篇论文里附上由储存库发布的样本标识符、以及像IGSN等跨机构数据库项目分配的唯一标识符。所有领域内重大变革的发生都需要时间，而编辑层面的改变能助其一臂之力。只要在刚开始要求存放样本遭拒的时候对归档命令网开一面，期刊应可在相对较短的时间内落实这些政策。
出资方应当要求研究人员把样本归档的步骤写进项目申请书，并将相关的管理费用纳入预算。批评者可能会说，归档会减少其它科研活动可用的资金。在我们看来，样本管理方案应被视作与数据归档、版面费或机构管理费用一样的分项预算条目，这些开销支撑着科研工作流程的其它重要组成部分。
我们强烈反对统一收费。样本的性质与大小相去甚远，从公斤级的物体到分离出的微克级矿物都有。因此对于博物馆来说，开销也将相应地取决于它们的资源和专业性。不过，我们相信博物馆能够与出资方及研究者一起确保相关费用实现自调整。
古生物样本的馆藏为我们需要怎么做提供了可借鉴之处。它们还证明了大规模归档的可能性。举例来说，耶鲁大学皮博迪自然博物馆的无脊椎古生物学部门拥有约450万件标本，而且平均一年里还有2000多件新品入藏。除研究馆员外，该部门还有其他两名全职员工提供支持，其中一位专门负责处理新入馆的藏品。
我们估计每年大约有20万新的沉积地球化学样本得到分析。因此我们在此重申，它们的管理费用——即便只是微不足道的一小块——也应该被算进研究经费申请的预算部分。不论当前各家博物馆有多少可用空间和管理上的支持，都需要额外的资金来满足沉积地球化学样本的归档需求。
我们在这里提出的指导准则将需要经过学界和机构的讨论及修订。 尽管如此，所有最佳实践都必须建立在各方面的共同努力之上，这样才能确保科研数据与科研样本不分家。
作者：Noah Planavsky, Ashleigh Hood, Lidya Tarhan, Shuzhong Shen & Kirk Johnson
题图来源：Ted Soqui/Corbis/Getty
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