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原子傳承的三個案例

含氫的角蛋白不僅可以構成頭髮,同時還可以構成喙、爪、蹄和羽毛等部位。因此,野生動物學家可以通過對氘的測定,從而確定動物的遷徙軌跡,因為它們的角蛋白中印刻著飲用水留下的原子指紋。

這樣一項研究成果在2000年的《環境科學》(Oecologia)上發表,揭示了亞利桑那州樹形仙人掌與白翅鴿之間匪夷所思的密切關係。鴿子的體液樣本顯示,它們體內的氘含量每個月都有變化,但在當地5月初直至6月中旬的雨季之後,其濃度緊接著就突然上升。這些鴿子的身體就像是一面鏡子,反映出了當地仙人掌花期與果期的年度循環。

相比於地下水來說,仙人掌花蜜中含有更多的氘,因為植物在空氣乾燥的沙漠中容易失去大量水分。當仙人掌花在雨季到來之後盛開,鴿子們飲用的花蜜超過了飲水量。連續吸食幾天花蜜後,鴿子體內的氘便會富集。在這之後,仙人掌果實成熟,鳥兒們又開始吃果肉和種子,飲食結構的這種變化進一步提升了體液中的氘含量。

這項研究不僅證明,亞利桑那州的白翅鴿實際上很大程度依賴仙人掌作為它們的營養來源,同時也詳細說明了棲息地是如何影響鴿子行為的。當然換到你身上也是一樣的,儘管你或許住在大城市裡,但構建你身體的原子,同樣也是來自地球上的原子庫,跟亞利桑那的鴿子與仙人掌一樣。

另一項由地球化學家托爾·瑟林(Thure Cerling)及其國際團隊展開的研究很容易讓人回想起伊爾林格的工作,他們採用同位素示蹤法對肯尼亞北部的象群與環境之間的聯繫進行了研究。研究成果被整理成一篇題為《使用同位素記錄法研究動物生長史》的論文,發表在《國家科學院學報》上,論文證明了大象尾毛與當地雨季及河水間的部分聯繫。

被測試的四頭象來自一個家庭,被稱為「皇室成員」(Royals),它們均佩戴了無線電項圈用於追蹤,每當換電池的時候它們就會被固定住,同時取下尾毛樣品。當地河水與尾毛的同位素組成同時一起被分析,並且附近的氣象站也在監測降水。所有的記錄跟蹤比較了6年以後,顯示出了令人矚目的結果。

在潮濕的季節,埃瓦索恩吉羅河(Ewaso Ng\'iro)的氘含量會迅速降低,因為多雲多雨的氣候會減緩河水的蒸發,並對其進行稀釋。作為響應,「皇室成員」的尾毛及新生角蛋白的氘含量也會下降,速度幾乎與河水同樣迅速。這是大象從當地水源中持續獲取氫原子並形成毛髮蛋白質的結果。「皇室成員」的毛髮每週生長大約1/4英吋(0.6厘米),這些蛋白質分子記錄了這些大象與世界的原子聯繫。

氧元素也是水分子的成分之一,故而水與動物之間的關聯也可以通過追蹤氧的同位素進行,與氘一樣。密歇根大學的古生物學家丹尼爾·費捨爾(Daniel Fisher)便採用此法研究幾千年前就已死去的大型哺乳動物。通過測量古象長牙中氧18與氧16之間的比例,他革新了對乳齒象的研究方法,而乳齒像是一種在最後一次冰川期後不久遍佈於北美大陸的動物。

自五大湖地區各州出土的象牙保存完好,在將它們切片並拋光後,費捨爾注意到了一些狹窄的環,很像是樹的年輪。與如今的大象一樣,乳齒象的象牙也是增長的門齒,在它的生命裡會慢慢生長,形成很多層。費捨爾知道牙齒是由鈣、磷等原子散佈在氧原子中構成的,因此他猜測,當時的湖水、河水甚至雪中的那些氧原子,現在正靜靜地沉積在這些古老的象牙之上。

通過將樣品研成粉末並分析含氧量,費捨爾測定了每一層同心環的相對同位素丰度。與氘一樣,溫暖的條件會使較重的氧-18傾向於更加富集,因此在每一層同心環中氧同位素的震盪分佈比率說明,這些動物所飲用的水溫也在週期性地升降。換句話說,這些乳齒象與當地的水溫之間有著原子層面的關聯,象牙中記載著季節性的氣象信息。

由於很肯定這些環是因年度生長所形成的,因此測試結果不僅反映了這些動物的年齡,也包括了性別信息。有些像牙的生長情形比其他像牙更為多變:幼年時期形成的環位於中心,厚度非常一致,但到了9歲至12歲時,環的厚度就變薄了。自那之後,環的厚度每3到4年會發生一次變化,可以判斷這些動物為其他生命體貢獻的營養物質多於它們自己生長的。顯而易見,更為多變的象牙屬於成熟雌性——乳齒象媽媽。

紐約西部出土的某根雌象象牙生長速度出現了異常下降,可以證明它是在9至10歲間第一次懷孕,在這之後最薄的環層說明它又花了兩年時間哺育幼崽。這位象媽媽的象牙上,鐫刻著6次懷孕及斷奶的印記,直至它34歲時離世。通過氧同位素測定的水溫顯示,它可能是在春天出生,較薄的環重複出現的區域也說明,它需要持續花4年的時間餵養它的孩子。當年輕的幼崽可以更加獨立,不再從它的母親那裡獲取原子時,母親的象牙環又會重新開始增厚。

費捨爾研究的每一位乳齒象母親,都會在養育孩子時消耗自己的身體,它在營養方面做出的犧牲也會留下不可磨滅的原子印記,就像它經歷過的那些季節,它所覓食的那些植物以及它所喝過的水一樣。數千年以後的今天,最後一頭乳齒象媽媽也早已融入了這顆星球,化作了元素維持著你和我的生命,但我們卻仍然可以閱讀這些鐫刻在象牙上的故事。