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作者：Noah Planavsky, Ashleigh Hood, Lidya Tarhan, Shuzhong Shen & Kirk Johnson
如果我們要想解開地球複雜的歷史之謎，就必須對地質樣本進行歸檔，讓它們能為所有人所用。
洛杉磯拉布雷亞焦油坑（La Brea Tar Pits）博物館的一名員工正在檢視館藏的化石。來源：Ted Soqui/Corbis/Getty
地質學家們覺得自己了解基本的地球史。液態水在這顆星球上已經流動了40億年[1]。微量的氧氣在大約23億年前開始在大氣中聚集形成[2]。地球還經歷過許多氣候動蕩時期，從7億年的完全冰封[3]到2.5億年前造成超過80%海洋生物滅絕的急速變暖[4,5]。類似的大起大落不勝枚舉。
地球的故事可以通過從古代巖石中取得的數據來重建。可隨著地質學家掌握了更多的信息，這個故事非但沒有變得明晰，反而更為模糊不清了。在過去的二十年裡，有關早期地球化學記錄的很多方面都紛爭四起，這其中包括生命的演化、環境、以及過去的長期氣候（詳見「有爭議的時間線」）。
舉例來說，碳酸鹽巖中碳同位素比的變化通常被解釋為對全球環境劇烈變化的記錄，如長時期的火山活動或是氧氣含量的急劇增加[6]。與這種看法相反，一部分研究者提出，這類記錄發生變化的原因是局部環境過程的長期作用，它們反映的並不是關於遠古地球歷史的信息[7]。只有用多種不同的地質與化學工具[8,9]對提供碳同位素數據的相同樣本進行分析，才能結束這場爭論。
過去十年間，有人嘗試用更好的工具和更大的資料庫去解答上述問題，但結果只是加劇了分歧。更糟糕的是，巖石樣本基本都不會被歸檔或共享。它們通常被存放在研究者的私人收藏裡，而不是在便於訪問的管理機構，如檔案館或博物館。這樣就產生了問題：不同的地球科學團隊無法檢驗各自的工作、測試發表的研究是否嚴謹及可複製。
我們呼籲研究人員、博物館、出資人、學會和期刊一起確保所有提供已發表地球化學數據的沉積物和沉積巖樣本都能得到整理和保存，並能為廣大科研工作者所使用。
Source: N. Planavsky et al.
可重複性危機
地質記錄複雜且難於詮釋，因此很容易得出互相矛盾的結論，這主要是基於以下四個原因。
指標與歸檔。若干地球化學研究方法都可以用來推斷溫度等指標在歷史上的情況。當同一種方法用於不同類型的沉積巖時，就可能出現不一致的情況。比如說，化學沉積物（如燧石、碳酸鹽或磷灰石）中氧的輕重同位素之比可以對這些礦物形成時的海水溫度進行追跡。但即便是同一塊石頭，根據測量時它是在化石裡或是整整一大塊巖石樣本裡，重建出的溫度會有所不同。這是因為巖石本質上是不同礦物的組合，這些礦物可能是在一塊石頭漫長地質史的不同階段裡形成的。了解過去的氣候意義重大。例如，目前尚不清楚在2.5億年前的「大死亡」（Great Dying）事件中，導致海洋生物滅絕的是否是一波極端高溫。硫化物毒性、海洋酸化及二氧化碳中毒也被認為是可能致使該時期生物死亡的幾種機制[4]。
類似的問題還有大氣中的氧含量是否曾低到足以將動物的出現推遲約40億年——即地球的大部分歲月，解決這個問題也就回答了達爾文提出的複雜生命在化石記錄中為何出現得如此之晚的難題，而答案則取決於研究的是哪些巖石、採用的分析方法又是什麼[8]。譬如，一項分析沉積巖內氣泡的研究[9]顯示，地球表面的大氣含氧量早在26億年前就足以支持動物的生存了。然而，一批強有力的相反證據表明，該時期大氣中的氧氣濃度低到了可以忽略不計的程度[10,11]。如果不同的科研團隊無法研究同一批樣本，那麼要想改進此類指標是極具難度的。
空間與時間上的差異。用於攻克同一個科研問題的巖石樣本通常採自不同的地區，它們是在不同的時期以及迥異的環境下沉積的。這樣科學家就會得出完全不同的結論。以沉積物中汞元素的富集為例，它被用於示蹤火山活動的活躍期及其與大滅絕事件的聯繫[12]。然而，汞的富集也可能是因為野火、或源自導致沉積有機質吸取重金屬的局部沉積條件[12]。此外，根據水深、溶解氧濃度、沉積速率、火山類型及位置等方面的不同[12,13]，各種各樣的地理環境對汞富集的記錄也可能不同。這一切會使得火山活動與滅絕事件之間產生偽相關。要是僅使用已公布的地球化學數據集，是很難將地球系統的時間長河裡表示全球變化的信號與局部環境的變異性相區分的。
研究分析的可重複性。即便是在巖石保存完好的情況下，實驗也可能很難重複。按照常規做法，巖石的量度是與地球化學標準物質（它們的構成是國際上公認的）作過比對的，但在分析過程中總會有犯錯的可能。錯誤的來源包括樣本準備（比如碎石的技術或用於製備樣品的酸的種類）和儀器（類型、調試）上的不同、以及實驗室條件的差異。比如說，測量海洋碳酸鹽的硼同位素是重建大氣二氧化碳含量的重要工具之一[14]，但不同測量方法對二氧化碳含量的估算值可能相差400 ppm（百萬分率）以上[14,15]——大致等於如今大氣中二氧化碳的總濃度。
汙染與蝕變。沉積物在成巖時發生的許多過程都能改變顯示其形成地點與方式的地球化學信號。海底或湖底的沉積物會經歷水位或鹽度的變化（比如來自融水的衝刷）。水熱過程和深層熱量可能會浸出巖石裡的化學物質，進而改變其礦物構成。
在接近地表的位置採集的巖石會因地下水或其它汙染物（如用來鑽取巖芯的油）而發生變化。拿巖石中的有機殘留物來說，它們曾被認為是27億年前的早期光合微生物生產氧氣的證據，但現在則被承認很可能來自用於從地表鑽取巖石的現代石油產品的汙染[16]。類似地，古代巖石的化學組成是不是對可追溯至30億年前的微生物產氧現象的記錄，抑或這些巖石是否已經因接觸了近代的地下水而受到影響[17]，關於這個問題的爭論仍十分激烈。
位於英國貝爾法斯特的北愛爾蘭地質勘探局的巖芯樣本。來源：Stephen Barnes/Science/Alamy
重要目標
要是無法查看及重測樣本，就很難確定研究結果與觀點之間的差異是因為地球歷史的複雜性、對有著不同程度蝕變的巖石的取樣、或者是分析過程中出現的問題。然而樣本歸檔並非無機或有機地球化學研究標準操作流程的一部分。除了像海洋巖芯或冰芯這樣的樣本會被儲存起來，古氣候學研究一般也沒有歸檔操作。
這種情況是如何出現的呢？很多科學家並不願意分享他們費盡千辛萬苦採集而來的樣本。畢竟，在巖石露頭區開展的野外工作還有鑽探項目都是開銷很大的。研究團隊也許想對一組樣本進行多項地球化學研究，而這需要時間。使用非傳統同位素系統的大規模研究可能要好幾年才能產生一組數據[18]。
樣本歸檔面臨的其它問題包括怎樣獲取經費、在哪裡存放樣本、以及如何對它們進行管理。顯然，沒有哪一家博物館能夠裝得下全部地質與地球化學樣本。要容納這些館藏品的話，博物館需要更多的人手、空間和資金。
其它領域對樣本歸檔的嘗試也許可以被用來當作模板，這其中包括全球基因組計劃（Global Genome Initiative），這是一個冷凍組織儲存庫的共享數據協議（詳見go.nature.com/3f4erur）；此外還有存儲生物學數位化數據的生物標本數位化平臺項目。這些樣本檔案及其附屬信息的全球資料庫是建立在像國際地質樣本編號（IGSN）這類項目上的，我們也需要它們來分配唯一標識符，並維護不同館藏之間的記錄。
地球科學的部分領域已經開始在公立博物館裡存放樣本了。例如，古生物學家就被要求把在科學著作中正式描述的標本存到博物館，這種做法已經延續了150多年。同樣，博物館保管著化石、隕石和生物樣本的模式標本。而像國際大洋發現計劃（International Ocean Discovery Program，詳見go.nature.com/2xoumhh）那樣資金充裕的鑽探項目也有著嚴格的歸檔政策和管理完善的巖芯庫。
FAIR數據計劃為數據歸檔提供了嚴密的指導準則，它已經被包括《科學》和《自然》在內的許多發表地球科學與環境科學研究的期刊所採納（詳見go.nature.com/2wv2jxd）。儘管該計劃推薦的最佳實踐裡已經包括了樣本歸檔，但它還沒有被當作科研發表的一項正式要求來嚴格執行。
齊心協力
研究者、自然博物館、期刊編輯、學會和出資方必須攜手制定並落實標準化的歸檔政策。我們在此建議採取以下步驟。
地球化學家應視存放標本到博物館為常規。為了鼓勵大家同意這個提案，我們倡議對每組已有地球化學數據發表的樣本設立限時禁發期，以延滯其它團隊新研究的發布。地球化學家也必須與博物館合作來拓展館藏品的傳統定義。新定義將包括一系列不同的物質—從拳頭大小的標本到巖石碎片、粉末和礦物顆粒。地球化學家還應與保護地的管理者一起促進將歸檔政策及相關流程納入到地球化學樣本採集的研究許可裡。
自然博物館的辦館宗旨應納入地質樣本的歸檔與管理。它們應該分配能夠錄入進數位化資料庫的唯一標識符。由於地球化學測試會破壞樣本，管理者必須決定一份樣本中有多少可以拿去做那樣的測試。在資源緊張的時候，博物館還需要評估館藏品對空間和財務的要求及其在科研上的價值，以確定哪些樣本在管理上是最優先的。
相關學會則必須著手解決這個問題：一個可接受的儲存庫的構成要素是什麼。比如國際隕石學會的隕石命名委員會就處理了該問題。像國際地球化學學會和歐洲地球化學協會這樣的組織應該開始倡導合適的制度了。
近幾十年來的發展顯示，在明確的指導準則和編輯命令到位的情況下，是有可能實現數據歸檔領域的快速轉變的。因此，我們希望看到期刊通過要求論文必須進行樣本歸檔及分配資料庫唯一標識符，來進一步地支持FAIR數據計劃。
很多科研期刊用檢查表來管理數據的歸檔。我們建議在樣本歸檔上也採取這種做法，同時也建議在每篇論文裡附上由儲存庫發布的樣本標識符、以及像IGSN等跨機構資料庫項目分配的唯一標識符。所有領域內重大變革的發生都需要時間，而編輯層面的改變能助其一臂之力。只要在剛開始要求存放樣本遭拒的時候對歸檔命令網開一面，期刊應可在相對較短的時間內落實這些政策。
出資方應當要求研究人員把樣本歸檔的步驟寫進項目申請書，並將相關的管理費用納入預算。批評者可能會說，歸檔會減少其它科研活動可用的資金。在我們看來，樣本管理方案應被視作與數據歸檔、版面費或機構管理費用一樣的分項預算條目，這些開銷支撐著科研工作流程的其它重要組成部分。
我們強烈反對統一收費。樣本的性質與大小相去甚遠，從公斤級的物體到分離出的微克級礦物都有。因此對於博物館來說，開銷也將相應地取決於它們的資源和專業性。不過，我們相信博物館能夠與出資方及研究者一起確保相關費用實現自調整。
古生物樣本的館藏為我們需要怎麼做提供了可借鑑之處。它們還證明了大規模歸檔的可能性。舉例來說，耶魯大學皮博迪自然博物館的無脊椎古生物學部門擁有約450萬件標本，而且平均一年裡還有2000多件新品入藏。除研究館員外，該部門還有其他兩名全職員工提供支持，其中一位專門負責處理新入館的藏品。
我們估計每年大約有20萬新的沉積地球化學樣本得到分析。因此我們在此重申，它們的管理費用——即便只是微不足道的一小塊——也應該被算進研究經費申請的預算部分。不論當前各家博物館有多少可用空間和管理上的支持，都需要額外的資金來滿足沉積地球化學樣本的歸檔需求。
我們在這裡提出的指導準則將需要經過學界和機構的討論及修訂。儘管如此，所有最佳實踐都必須建立在各方面的共同努力之上，這樣才能確保科研數據與科研樣本不分家。
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原文以 Store and share ancient rocks為標題發表在2020年5月11日的《自然》評論版塊
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Nature|doi:10.1038/d41586-020-01366-w
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