原文来源：Novak J B, Prokopenko A A, Tarasov P E, et al., 2026. Early Pleistocene ecosystem turnover in South Siberia linked to abrupt regional cooling. Nature Geoscience.
https://doi.org/10.1038/s41561-025-01914-x.
研究背景和科学问题
晚中新世至上新世早期（~800-360万年期间），地球仅在南极存在大冰盖，气候整体仍较为温暖，冰期-间冰期的气候变化幅度较小。约从360万年开始，地球气候不断降温，并在约270万年的第四纪前夕，北半球冰盖最终出现。从此，地球气候和海平面在冰期-间冰期旋回中的波动幅度不断变大，特别是最近100万年以来。不仅如此，全球大洋和大气环流格局也在270万年前后发生了重大变化。因此，这一时期是新生代地球环境演化的里程碑，标志着气候系统进入了一个新模态。
大量基于深海沉积（如有孔虫氧同位素）的研究显示，270万年前后的降温是一个相对缓慢、渐进的过程。然而，北半球中高纬地区的一些陆地记录显示，这些地区的气候和生态面貌发生了远比全球平均温度变化更为剧烈和迅速的事件。尚待回答的重要科学问题至少包括：北半球高纬度地区变冷的详细过程如何？是渐变还是“阶跃式”突变？如果是突变，何时发生？变化幅度多大？区域生态系统如何响应？这些问题，仍需更多高分辨率、连续可靠的定量古温度和古生态重建结果来回答。
研究材料和方法
本研究利用贝加尔湖湖相沉积，通过一系列分子化石指标和孢粉记录，重建了该区过去860万年以来的暖季（或生长季）温度变化与植被演替历史。本研究利用细菌来源的支链甘油二烷基甘油四醚（brGDGTs）的甲基化指数（MBT'5ME）来重建古温度，并基于现代湖泊MBT'5ME与温度之间的校准公式计算了暖季温度。细菌brGDGTs能够重建温度的原理是当外界环境温度发生变化时，细菌会改变brGDGTs分子中甲基化数量从而维持细胞膜的流动性，因此甲基化指数可作为古温度的代用指标。另一方面，本研究基于已发表的孢粉数据，并结合钻孔中的植物叶蜡正构烷烃主峰碳分布和平均碳链长度的研究结果，恢复了晚中新世以来该区的生态演化历史。
核心发现
（1）贝加尔地区的突然降温
温度重建结果显示，位于南西伯利亚的贝加尔湖地区过去860万年间的暖季气温呈下降趋势。其中，860-270万年期间的温度缓慢变化与全球平均温度变化高度吻合（图1a, d）。但在270万年前后，南西伯利亚地区冰期的温季气温出现了断崖式下降。这一降温使得该地区早更新世的暖季温度与最近70万年的冰期接近。这意味着该地区气温对北半球冰盖的出现做出了非线性的快速响应。
图1 贝加尔湖地区晚中新世生态系统与温度变化。a, 基于brGDGT重建的贝加尔地区古温度。阴影表示brGDGT校准函数的68%置信区间，红点为平均值。b, 前人孢粉资料显示的寒温带夏绿植物（橙线）、寒温带针叶植物（紫线）和暖温带常绿阔叶植物（蓝线）。c, 通过孢粉和正构烷烃碳链分布推断的优势生物群系，自上而下依次为温带落叶林、亚寒带混交林、亚寒带针叶林、泰加林+寒带落叶林、开阔草原+苔原。d，全球平均地表温度变化量，其中4.5-0 Ma时段引自前人文献数据，8.5-4.5 Ma时段为本研究结果，红色阴影区域表示68%置信区间。
（2）植被面貌的快速更替
基于前人的孢粉资料和本文的正构烷烃碳链分布结果，本研究恢复了贝加尔湖地区的优势植被面貌（图1b, c）。结果显示，晚中新世的降温伴随着寒温带夏绿植物群（由乔木和灌木组成）的减少，其被寒温带针叶林取代。但在270万年前后，该地区植被面貌发生了突变：由之前的森林面貌迅速转变为草原和苔原生态面貌。这一转变与区域突然降温同步。同时，研究者总结了北半球大量的其他研究资料，这一转变在北半球高纬地区较为普遍（图2）。
图2 基于前人的植被数据恢复的早更新世和晚上新世植被的空间分布。a，早更新世数据的空间分布。b，早更新世生物群出现频率随纬度的变化关系。c，上新世晚期数据的空间分布。d，上新世晚期生物群出现频率随纬度的变化关系。无边框符号表示年代控制较差的点位（生物地层学、区域地层对比未明确说明或未指定方法）。
（3）多年冻土的突然出现
前人的研究显示，贝加尔湖地区过去50万年以来的石笋生长仅发生在无多年冻土的间冰期。因为一旦多年冻土出现，将隔绝下方石笋生长所需的洞穴滴水。结合该区石笋的生长年代和本文所重建的温度，本研究确立了过去45万年发育连续多年冻土的温度条件（图3），并据此讨论了研究区出现多年冻土的时间。结果显示，伴随270万年前后的急剧降温和植被面貌改变（可引起地表反照率增加），南西伯利亚地区在此后的冰期时段反复出现连续多年冻土（图3）。本文的研究揭示出，多年冻土首次扩张到钻孔所在的53°N始于270万年前。
图3 贝加尔湖地区自270万年以来在冰期反复出现连续多年冻土层。a, 基于brGDGT推断的古温度（上图红点）及过去45万年间正构烷烃平均链长ACL（下图黑线）。垂直阴影区域显示当地石笋生长期，该指标可指示当地无永久冻土层存在。b, 上图和下图的红色/绿色和蓝色/黄色虚线分别为多年冻土层缺失与存在的气候条件。
重要启示
启示1：多年冻土的大范围扩张可能加剧了第四纪冰期-间冰期气候反差。由于多年冻土可封存大量有机碳，构成一个巨大的碳库。随着270万年以来北半球冰盖的形成和全球降温，北半球高纬地区在冰期会出现大面积的多年冻土，青藏高原高海拔地区可能也会发生多年冻土的扩张。尽管大洋碳库的变化（通过高纬海冰面积的变化和海水的分层改变碳循环）是引起第四纪冰期-间冰期旋回中大气CO2浓度变化的最重要因素，但全球多年冻土在冰期-间冰期旋回中的变化也能够引起一定程度的大气CO2浓度变化，加大气候波动的幅度。
启示2：270万年前后的气候突变是认识地球气候耦合系统运行规律的重要窗口。本文的研究揭示出，270万年前后高纬生态系统和碳循环发生了重要变化，除此之外，全球洋流、大气环流、风化机制、冰盖动力、温室气体浓度等方面均在该时期发生了显著变化。因此，地球气候系统在此时突破了“临界点”，并通过非线性的快速转变进入一种新模态。而在未来全球变暖的背景下，气候会向缺乏北半球冰盖的上新世暖期状态转变。这一过程可视作270万年前后的气候突变的“逆过程”，这一过程也必然伴随着地球气候临界点的突破。因此，270万年前后的气候突变是认识地球气候耦合系统运行规律的重要窗口，亟待开展更多更深入的研究。
——解读人：肖国桥
——责任编辑：王灿发
