德雷塞尔大学自然科学院贮藏的一批浮游植物正在帮我们重构历史上的海岸线。
宾夕法尼亚州费城德雷塞尔大学自然科学院馆藏的大量硅藻也许不如许多自然博物馆里的大型动植物标本亮眼，但它们是过去环境的档案
坐落在宾夕法尼亚州费城市中心，美国德雷塞尔大学自然科学院散发出一种杂乱、珍奇的气质。它的新古典主义立面上随处可见自然主题装饰——大门两侧摆着菊石化石、扶手卷曲成蕨类植物的模样、铜制门把手形似朱鹮的头骨。作为西半球最古老的自然科学机构，科学院积累了大量非凡的标本。这里收藏着约1 900万件标本，其中有从刘易斯与克拉克远征途中采集的植物、欧内斯特 · 海明威钓上来的蓝枪鱼，以及美国第一具架设起来展出的恐龙骨架。
科学院里许多极为不起眼却极有影响力的珍藏被存放在二楼的一片办公室区域，里面摆满了笨重的收藏柜和显微镜。在其中一台显微镜旁边，馆长玛丽娜 · 波塔波娃（Marina Potapova）打开了一个笔记本大小的塑料容器，里面塞满了玻璃片。在外行人看来，这些平平无奇的玻片似乎脏兮兮的——每一张看起来都像是被脏手指抹过。
但是当波塔波娃拿出一张玻片放到显微镜镜头下时，玻片里的内容就让人眼花缭乱起来：几十种硅藻形状各异地固定在了玻片里。硅藻是微小的单细胞藻类，包裹在坚固的二氧化硅质细胞壁里，只要有水的地方就能找到。
有些硅藻形状长如法棍面包或是扁平如茶托，另一些则彼此勾连，看起来像半透明的蜈蚣。还有一些像鱼叉一样有着倒钩，或是状若矮胖的海星。有些甚至像是华丽的彩色玻璃花窗。在显微镜下，几滴浑浊的池水变成了包罗硅藻多样性的万花筒。
硅藻的美令人印象深刻。但它们在生态层面的重要性惊人到让你难以置信。硅藻喂养着从微小的浮游动物到巨大的滤食性动物之间的一切，从而锚定海洋食物链网。举个例子，科学家们推断，鲸在大约3 000万年前的出现反映了硅藻多样性的激增。硅藻对大气也有巨大的影响。作为地球上最为丰产的生物之一，硅藻吸收空气中的二氧化碳等气体，并在光合作用过程中生成大量的氧气储量。据估计，我们呼吸的空气中有大约1/4是由硅藻产生的。
超过400万件的重要藻类标本被贴在数以万千计的玻片上，存放于科学院的硅藻标本室，这一数量在全球仅次于伦敦的自然博物馆。
位于宾夕法尼亚州费城的德雷塞尔大学自然科学院拥有超过400万件硅藻标本，位列世界第二
尽管科学院所存的硅藻不再为浮游生物提供食物，也不再向大气中输送氧气，但它们确实为水生世界正在发生的变化提供了线索。随着它们坚硬的外壳沉入水体底部，它们会被储存在沉积物中长达数千年。当研究人员用沉积岩芯钻入河口泥泞的底部时，他们收集的是千万年来沉积下来的硅藻。
硅藻是一种由二氧化硅构成的浮游植物，形态各异，它是海洋食物链网的基础，对地球大气健康有着巨大的影响
硅藻不仅丰富多样、生命力强韧，也是各种环境条件的重要晴雨表。某些硅藻物种的存在可以帮助科学家确定该处是否经历了工业污染、氧气枯竭等情况。波塔波娃和她的同事们最近使用了这些水环境的“时间胶囊”来测量海平面的加速上升如何威胁新泽西的沿海湿地。
由于相对缺乏环境监测，这些重要沼泽地（它们储存了碳，为鱼类提供育苗场，还在暴风雨来临时成为海岸的缓冲带）的历史衰退在很大程度上湮没了，使得对它们的修复工作几乎全靠猜测来进行。
然而，科学院储存的数以百万计的硅藻正在帮助研究人员跟踪海洋上升时沿海湿地的衰退情况，这或许有助于预测海岸的未来。“硅藻绝对是无价的环境档案，”波塔波娃说，“从它们告诉你的有关过去的信息中，你可以推断出未来。”
考虑到科学院的历史，这栋数层楼的机构会成为硅藻研究的中心其实不足为奇。19世纪50年代，随着显微镜技术得到推广，费城的许多绅士博物学家被微小微生物的王国吸引，最终在科学院建立了费城显微镜学会。
因为美得惊人，硅藻在显微镜学会内掀起了一场风暴。这些硅藻学家中有许多人为了满足自身的兴趣，向东前往新泽西海岸线收集样本，他们用稳定的手和猪睫毛做的刷子把样本置于玻片上。爱好者们会聚到科学院，在午餐会上展示他们的玻片标本。
科学院的早期成员显然对硅藻充满了热情，但他们多数都是业余爱好者，几乎不曾对收集的大量标本发表过研究论文。1933年，当露丝 · 帕特里克（Ruth Patrick）来到科学院时，她要将每位收藏家参与汇编的大量玻片标本统一整理。事实证明，这是一项艰巨的任务。帕特里克的父亲是一位业余硅藻学家，她在七岁时收到了自己的第一台显微镜。帕特里克在童年时就早早地被硅藻吸引，并最终通过对微观生物的研究获得了博士学位。尽管她拥有科学专业证书，却只得大材小用地为未经训练的业余爱好者设置显微镜、摆放玻片标本。仅仅是在这个男性主导的科学院获得会员资格就耗费了她数年时间。但她的坚持得到了回报，1937年，她成了新生的硅藻标本馆的馆长。
露丝·帕特里克是科学院硅藻馆的首任馆长，上图摄于20世纪40年代，照片中的她正在处理硅藻藏品
帕特里克的第一个目标是将不同收藏集堆成的标本大杂烩整合成一批统一、全面的藏品，以便分类研究。没在制作和整理玻片标本时，她会涉水走进附近的池塘和溪流，实地收集新的标本。在这些实地之旅中，她逐渐认识到硅藻的生态重要性。
这一认知在她1948年前往宾夕法尼亚州的康内斯托加河考察时明确成形。康内斯托加河的水体遭到了污水和工业废水的严重污染。随着她的团队在整条小溪的范围内收集样本，她发现硅藻的种类构成存在某种模式。一些物种的密度在受污水污染的区域急剧增加，另一些物种则在受化学品污染的区域蓬勃生长。很快，帕特里克就能熟练地将某些硅藻的存在作为诊断湖泊和河流污染的关键。这为“硅藻种类越多样，淡水生态系统越健康”的观点提供了支持——生态学家们把这一深刻的见解命名为帕特里克原理。
帕特里克彻底改变了使用硅藻来监测淡水系统的做法，但用它们监测沿海湿地却落后了一步。新泽西州生态环境部的研究科学家米哈埃拉 · 埃纳什（Mihaela Enache）说，淡水和咸水在沿海地区（如河口）的交汇融合创造出了动态而复杂的栖息地，在这类区域中，内陆硅藻和海洋硅藻混合在一起。
但近几十年来，海洋主导了曾经充满活力的海岸边缘，随着海平面上升，海洋不断向内陆推进。在过去的一个世纪里，新泽西沿岸的海平面上升了0.45米，
是全球平均水平0.18米的两倍多。到2100年，海平面可能上升超过一米。
事实证明，海平面的急剧上升对新泽西海岸线上交错的沼泽地而言是灾难性的，其中一些沼泽地已经被海水淹没。然而，由于环境监测只能追溯到几十年前，很难彻底、完整地解析这些湿地的流失程度。
如果缺乏对湿地自然条件的了解，对它做生态恢复将困难到令人望而却步。埃纳什说，这些信息至关重要。“没有它们，你就是两眼一抹黑。”谢天谢地的是，这些丢失的数据有一部分被记录在了科学院的那一大堆硅藻中。
和大多数沿海地区一样，海平面上升对新泽西州来说毫不陌生。在更新世时期，新泽西还被冰层覆盖，乳齿象栖居于此地，当时大量的海水结成了海冰。大约18 000年前，海平面比现在低了130多米，新泽西的海岸线因此向大西洋推进了110公里之远。
上一个冰河时代的结束引发了海平面的稳步上升，冰盖的消退导致新泽西部分地区下沉。根据罗格斯大学的海平面研究员詹妮弗 · 沃克（Jennifer Walker）的说法，证据证明，这种沉降加上冰川的融化共同导致了海平面的快速上升。
在2021年发表的一份研究报告中，沃克通过回顾过去，来将新泽西州目前的海平面上升置于一个更大的背景中。“如果我们能够了解，在过去，温度、大气层和海平面的变化是如何相互关联在一起的，我们就可以用这些知识来预测未来的变化。”
为了测量过去2 000年间海平面的波动，她的团队检查了一类被称为有孔虫的单细胞原生生物的外壳，这类生物只能生活在特定的环境条件中，这使它们成为重构海平面变化的重要指标。通过检查在新泽西海岸不同地点收集的沉积岩芯，从中辨识出特定的有孔虫物种，她的团队得出结论称，新泽西海岸正在经历两千年以来海平面上升最快的时期。
新泽西州生态环境部希望可以将硅藻作为一种类似的工具来帮助理解沿海沼泽对海平面上升的反应。像有孔虫一样，每种硅藻对环境条件都极其敏感。例如，像擀面杖形的小头菱形藻这样的物种会在富含氮的环境中茁壮成长，它们的外壳因此成了营养盐污染的常见标志。其他物种，比如多节壳形似细长三叶虫的施密斯双壁藻，则喜欢盐水。它们在内陆的存在是过去海平面曾经入侵的有效证据，有助于研究人员推断过去哪些沼泽地容易发生淹水。
为了确定这些微观指标曾经存在于何处，新泽西州生态环境部部署了一组研究人员进入沿海的几片沼泽地，范围横跨北部严重污染的湿地到南部近乎原始的潮汐沼泽。在每个地点，他们都从沼泽淤泥中取芯，在某些地方取样深达两米。埃纳什把这种方法比作从上至下切进一沓煎饼——你切得越深，实际上就是越往过去回溯，从刚拿出鏊子、热气腾腾的煎饼回到了压在煎饼堆最底下、已经受潮发软的煎饼。随着研究人员们往深处挖掘，他们也就回到了几十年前。他们总共从五片湿地收集了九个岩芯。
玛丽娜·波塔波娃是德雷塞尔大学自然科学院的馆长，她正在为硅藻取样
新泽西州生态环境部随后将沉积岩芯送往费城，在那里，波塔波娃和她的硕士生尼娜 · 德西安蒂（Nina Desianti）测量了新泽西沿海湿地内各个时间段的硅藻多样性。德西安蒂处理硅藻标本的第一步是将沉积物样本浸泡在强酸中，溶解除硅质壳以外的所有物质，然后将它们粘在玻片上。这步做完，五片沼泽中每一片沼泽的环境历史都被安放在了数千玻片之上。随后，她们利用科学院内已经分好类的标本，玩一场用显微镜找出谁是谁的游戏。但是，就连庞大的硅藻标本馆也无法给出所有的答案——德西安蒂估计，从湿地收集的900多种硅藻中，有1/3以上是科学界此前未发现过的新物种。
德雷塞尔大学自然科学院的一间实验室里，波塔波娃正在检查从海岸取样的硅藻
2019年，这份极其繁重的工作孕育出了一本名为《新泽西沿海湿地硅藻类群》（Diatom Flora of the New Jersey Coastal Wetlands）的巨著。对于外行人来说，这是一部由令人生畏的拉丁文学名和激动人心的电子显微镜照片交织而成的惊人之作，描绘了硅藻那无限小的荣光。对埃纳什而言，这是解读新泽西湿地衰退的关键。通过将硅藻物种的组成和现代的湿地条件输入建模程序，埃纳什就能说明某片湿地曾经的样子。她说：“硅藻是非常珍贵的环境档案，因为我们可以借助它们回到过去——那时没人去测量营养物质，没人去测量酸碱值——而且真的可以利用硅藻物种得到完整的数字。”这些数据帮助她记录下新泽西水体中许多物质的增长，包括农业营养物质和工业化学物，这些数据可以一路追溯到17世纪中叶，当时欧洲人刚到达此处、刚开始彻底地改造新泽西。
不过，尽管硅藻为我们提供了一扇观察新泽西沼泽地衰退的窗口，但对德西安蒂来讲， 它们也让她得以一窥环境的韧性。正如研究小组利用不同硅藻的耐盐性来绘制过去海平面上升的情况一样，他们也可以利用微小的藻类来推断这些沼泽曾经如何应对海水的倒灌。
作为栖息地时，沼泽的动态变化尤为显著。作为陆地和海洋之间的湿软屏障，沿海沼泽里有着大量的沉积物，它们垂直堆积以保持自身高于上升的海平面。当海平面上升的速度超过沉积物的积累时，沼泽就会退向内陆，流入沿海森林。当沼泽中的咸水渗入地下水时，会杀死树木，形成生态学家所说的满是干枯树皮的“幽灵森林”。
尽管沿海沼泽天然具有很强的可塑性，但人类活动产生的影响已使它们变得脆弱不堪。在新泽西州，大坝滤出沉积物，夺走了沼泽地的“建造材料”，被逼退的沼泽地却又撞上了铺好的道路和度假屋。“为了建立栖息地，盐沼不得不与我们竞争。”德西安蒂说。如今，她受威斯康星州立卫生实验室之托，利用硅藻来追踪营养盐污染，“结果，这些盐沼受到了上升海平面和人类压力两头的挤压。”
波塔波娃和德西安蒂收集、鉴定的硅藻不仅有助于新泽西州生态环境部了解新泽西沿海湿地对过去几次海平面上升的反应，还有助于他们了解如何恢复这些充满活力的生态系统。
你越往深处钻研池塘淤泥，找到的硅藻就越趋于多样化，正如露丝 · 帕特里克几十年前推断的那样，这是生态系统健康的标志。当你检查岩芯中更近期的片段，这种硅藻多样性经常会减弱，与之相伴的是某些特定物种（比如喜盐的海洋硅藻）占据了主导地位。搞清楚这些喜盐物种在哪里最为多见，就能揭示哪些生态系统已经屈服于海平面上升，又有哪些恢复工作（例如输入沉积物）最为急需。
硅藻并不是海平面上升和污染等威胁的解决之法，而是有助于对抗它们的关键。它们揭示了远在人们关注之前原始栖息地曾经的模样，并告诉我们从当时到现在的数个世纪里到底出了什么岔子。为了制定成功的湿地恢复措施，咨询这些微观藻类的确是个明智之举。
这就是为什么，波塔波娃和德西安蒂将她们在新泽西沿海沼泽收集的硅藻标本也做了归档，与帕特里克的标本一同收进了硅藻标本馆的钢柜。正如硅藻曾在沉积物中保存数千年，科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，以便他们了解污染和海平面变化。
“硅藻标本馆是硅藻研究的宝贵资源，”德西安蒂说，“我确信在未来，即使在我离开之后，人们仍然会访问这些藏品，继续研究环境问题。”她相信，在存放于科学院深处的万千张玻片标本中，有某些环境学领域的突破正等着被人破解。
资料来源Hakai Magazine
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本文作者杰克·塔米西亚（Jack Tamisiea）是一位科学作家，喜爱从博物馆藏品中汲取灵感