古生物学家重建5600万年前的森林，并与正在变暖的地球进行了令人不寒而栗的对比
研究中使用的化石叶片表皮示例，显示出更密集、阴凉森林的细胞形态。比例杆长度为50微米（0.05毫米）。叶片角质化石涂成红色，以便显微镜下更清晰。图片来源：雷根·邓恩博士
（化石网cnfossil.com）据洛杉矶县自然历史博物馆：如果你想知道二氧化碳注入大气会如何迅速影响未来的森林生态系统，你必须回顾遥远的过去。发表在《科学》杂志上的一项新研究背后的研究人员正是这样做的，重建了5600万年前森林树冠层，当时正值古新世-始新世热极大期（PETM）期间，碳向大气中大量且突然地排放。该研究作者首次利用化石叶细胞重建了PETM的树冠层，这是地球最近一次类似的全球变暖时期，这对我们的未来带来了令人不寒而栗的影响。
“我们向大气中释放二氧化碳的速度比任何已知的自然过程都快，”首席作者兼古植物学家里根·邓恩博士说，他是拉布雷亚沥青坑塞缪尔·奥辛全球冰河时代研究中心助理副主任兼副馆长，同时也是洛杉矶县自然历史博物馆的助理馆长。“地球从未经历过我们今天这样快速的碳排放。PETM为我们提供了了解地球气候和生态系统如何应对大规模碳注入的最佳窗口，那是在人类开始重塑地球之前。”
作者发现PETM表现为地球景观的广泛褐化现象。在大气二氧化碳升高、全球变暖以及火山驱动碳释放引发的降雨减少的背景下，植物物种向北迁移，树冠覆盖减少，加速侵蚀并扰乱了陆地水循环。人为气候变化正在推动一氧化碳2以比古代事件时快一个数量级的速度进入大气层。树木是这些剧变的根源。
“现在地球上到处都发生着显著的树木死亡事件，”邓恩说。“森林正在衰退，原因包括气温升高、干旱压力、病原体和昆虫侵扰以及野火——当你开始失去树木，我们的金丝雀在煤矿里，你就麻烦了。这几乎在地球五大灭绝事件中普遍成立。”
重新生长叶面积指数
如何重建超过五千万年前的森林？带有化石化的叶细胞，称为叶片角质碎片。
作者引入了一种全新的方法，首次使用叶片表皮碎片计算叶面积指数（LAI）。LAI是衡量天空中落叶覆盖面积的指标，为研究人员量化森林树冠的密度提供了一种方法。邓恩和她的合作者计算了南美和中美洲多种现代森林的LAI，他们将一台带有鱼眼镜头的相机安装在向上的三脚架上，同时在土壤样本下方采集叶片表皮。
“让我兴奋的是，LAI让我们超越了对植被的主观描述，比如'开阔森林'或'林地'。相反，叶片本身提供了树冠结构的定量估计，使我们能够利用客观且可重复的指标比较生态系统，“邓恩说。赋值可以让研究人员更准确地衡量随时间的变化。
邓恩早期的工作使用植物硅体——微观的二氧化硅填充植物细胞——来测量LAI，但为了考虑不同化石类型之间的保存偏差，需要对叶片表皮碎片进行新的计算。为了更全面地了解树木对一氧化碳爆炸的反应2在PETM期间，邓恩研究了怀俄明州富含有机质沉积岩中保存的表皮碎片。
这里显示的细胞形状表明在开放植被中暴露在阳光下较多。比例杆长度为50微米（0.05毫米）。图片来源：雷根·邓恩博士
叶片表皮细胞的形状反映了其阳光照射情况，无论是树木较低处阳光较少的遮荫叶，还是树顶附近的树冠叶，完全暴露在阳光下。邓恩发现叶细胞的形状与植被密度（LAI）高度相关。邓恩说：“生长在更密林、阴凉栖息地的叶子，其细胞的细胞比例更高，或者说细胞比接受更多阳光的叶子更细长。”
“这是植物的阴影反应;它们通过延长每个细胞来延长叶子，“邓恩说。想象每个细胞都在伸展身体以获取阳光，而一个肥胖快乐、沐浴在充足阳光下的细胞则是这样。“当树叶从树上落下并在土壤中开始分解时，碎片中保存下来的细胞形状可以告诉我们叶子最初生长时树冠层的密度。”
LAI是通过照片计算的，而Dunn和她的同事则从土壤中回收的叶片中测量了数千个表皮细胞，并将其与LAI值进行了比较。“这是建立一个代理指标，用化石沉积物重建环境变量的过程。你进入现代环境，建立关系，并创建一个模型，从5600万年前的岩石中重建该变量，在这里是LAI，“邓恩说。
发掘怀俄明州的化石森林
“我喜欢告诉我的本科生，怀俄明拥有世界上最好的化石记录，”合著者、怀俄明大学古生态学家、古植物学家兼教授艾伦·D·库拉诺博士说。“这部作品正是这一点的又一体现。”
“汉纳盆地的独特之处在于它是一个造煤盆地。所以你会发现这些富含有机物的岩石，比如褐煤和煤层，而这些在PETM周期广为人知的地方，比如怀俄明州西北部的大角盆地，是缺乏的，“邓恩补充道。“这些富含有机物的岩石中，包含了我们重建古老森林树冠所需的叶片碎片。”
怀俄明州古老森林中，巨大的黎明红杉（Metasequoia）树木覆盖着悬铃木、赤杨、棕榈树及其他亚热带和热带植物，与如今的鼠尾草栖息地形成鲜明对比。经过十多年的努力，Currano、Dunn及其团队在怀俄明州汉纳盆地收集了数百份样本，系统地寻找PETM之前和之后那些已逝森林的化石证据。利用汉纳盆地的化石记录，邓恩、库拉诺及其同事们重现了这些森林的传奇。
现场团队在怀俄明州汉纳盆地挖掘PETM地层沟槽。图片来源：Marieke Dechesne，美国地质调查局
“理解PETM期间森林结构的变化非常重要，因为它告诉我们大量二氧化碳向大气中增加，如何影响植物生长、生物量和生产力。事实证明，二氧化碳过多对森林有害，因为伴随的变暖和干燥会给树木带来压力，导致许多树木死亡，“库拉诺说。
“我们的研究表明，在PETM期间，森林树冠变得更加开放，大树减少，这种变化影响了气候、养分循环、风化，当然还有栖息在森林中的动物。我们开始看到类似的变化，尤其是在亚马逊地区，怀俄明州的植物化石记录为我们提供了地球可能走向的洞见。”
一个褐色的地球
自20世纪80年代以来通过卫星测量的现代全球LAI讲述了与作者重建PETM的故事平行的故事。
邓恩说：“地球之所以走上绿色轨道，是因为人为二氧化碳排放使植物受肥。”“但随着地球因排放而变暖，绿色化趋势正在逆转，地球许多地区正在变褐。这表明我们已越过一个临界点，升高的气温正在对森林产生不利影响。”
这些化石叶片帮助作者重现了5600万年前的森林树冠。图片来源：雷根·邓恩博士
邓恩及其同事的研究结果表明，持续的气候变暖可能会推动地球森林走向PETM期间观察到的那种广泛褐变现象。然而，与古代世界不同的是，今天的森林正同时面临多重人为压力。
除了大气中二氧化碳的快速上升和气温升高外，森林砍伐、日益频繁且严重的野火、栖息地破碎化、入侵物种和土地利用变化正在降低森林的韧性，限制森林的恢复能力。这些综合压力威胁着碳排放和生态系统退化，超出PETM期间的程度。因此，保护和恢复森林不仅对生物多样性的保护至关重要，也对保护地球上抵御加速气候变化最重要的自然防御之一至关重要。
“树木真棒。邓恩补充道，所有这些森林每天为我们消耗数亿吨碳。“但当你开始失去森林时，你就失去了那些关键的碳汇。PETM提醒我们，当森林衰退时，其后果会波及整个气候系统。趁它们还能缓冲人类引发的前所未有气候变化速度，我们应当保护和恢复它们。”
出版信息
古新世-始新世极热期间，二氧化碳浓度升高导致森林冠层下降，《科学》（2026）。DOI:10.1126/science.ace4776
