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博物馆的一名员工正在检查其收藏的化石。|来源：Ted Soqui/Corbis/Getty。
地质学家认为他们知道地球的基本历史。液态水已经在这个星球上流动了40亿年。大约23亿年前，微量氧气开始在大气中积累[2]。地球也经历了许多气候动荡时期，从7亿年的完全冰[3]到2.5亿年前导致80%以上海洋生物灭绝的快速变暖[4，5]。类似的跌宕起伏比比皆是。
地球的故事可以从古代岩石获得的数据中重建。柯穗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，关于早期地球化学记录的争议很多，包括过去生命、环境和长期气候的演化(详见“有争议的时间线”)。
例如，碳酸盐岩中碳同位素比值的变化通常被解释为全球环境剧烈变化的记录，如长期火山活动或氧含量急剧增加[6]。与这种观点相反，一些研究人员认为，这种记录变化的原因是当地环境过程的长期影响，这些过程没有反映关于古代地球历史的信息[7]。只有使用不同的地质和化学工具[8，9]来分析提供碳同位素数据的相同样本，这场争论才能结束。
在过去的十年里，一些人试图用更好的工具和更大的数据库来解决上述问题，但结果只是加剧了差异。更糟糕的是，岩石样本基本都不会被归档或共享.它们通常存储在研究人员的私人收藏中，而不是可访问的管理机构，如档案馆或博物馆。因此，就出现了一个问题：不同的地球科学团队无法检查自己的工作，也无法测试已发表的研究是否严谨和可复制。
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等人
可重复性危机
地质记录复杂，难以解释，容易得出矛盾的结论，主要基于以下四个原因。
指标与归档。
几种地球化学研究方法可以用来推断温度等指标的历史情况。当同一方法应用于不同类型的沉积岩时，可能会出现不一致。例如，化学沉积物(如燧石、碳酸盐或磷灰石)中氧的轻同位素和重同位素的比率可以追踪这些矿物形成时的海水温度。但即使是同一块石头，根据测量时是在化石中还是在整个岩石样本中，重建的温度也会有所不同。这是因为岩石本质上是不同矿物的组合，它们可能是在石头漫长地质历史的不同阶段形成的。了解过去的气候意义重大。例如，目前还不清楚大死亡是否发生在2.5亿年前。
濒死)，是否是一波导致海洋生物灭绝的极端高温。毒性、海洋酸化和二氧化碳中毒也被认为是这一时期可能导致生物死亡的几种可能机制。
一个类似的问题是，大气中的氧气含量是否低到足以将动物的出现推迟大约40亿年，也就是地球的大部分时间。解决这个问题将回答达尔文关于为什么复杂生命在化石记录中出现得如此之晚的难题，答案将取决于研究了哪些岩石以及采用了哪些分析方法[8]。例如，对沉积岩中气泡的分析[9]表明，地球表面的大气氧含量早在26亿年前就足以支持动物的生存。然而，一批强有力的相反证据表明，这一时期大气中的氧浓度可以忽略不计[10，11]。如果不同的研究团队无法研究同一批样本，那么要提高这样的指标是极其困难的。
空间与时间上的差异。
用于解决同一科学研究问题的岩石样品通常是从不同地区采集的，它们沉积在不同的时期和不同的环境中。这样，科学家就会得出完全不同的结论。以沉积物中汞的富集为例，用于追溯火山活动的活跃期及其与大灭绝事件的联系[12]。然而，汞的富集也可能是由于野火，或当地沉积条件导致重金属被沉积有机物吸收[12]。此外，根据水深、溶解氧浓度、沉积速率、火山类型和位置的差异[12，13]，各种地理环境中汞富集的记录可能有所不同。所有这些都将使火山活动和灭绝之间产生错误的关联。如果只使用公布的地球化学数据集，很难将代表地球系统长期全球变化的信号与当地环境的可变性区分开来。
研究分析的可重复性。
即使岩石保存完好，实验可能也很难重复。根据
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400ppm（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
参考文献：
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原文以 Store and share ancient rocks为标题发表在2020年5月11日的《自然》评论版块。
原文经授权转载自公众号“Nature自然科研”（ID：Nature-Research)，如需转载请联系原账号。
