一片化石叶片会留下扇形的轮廓、叶脉的分叉，以及叶缘撕裂处参差的缺口。本文追索的大气记录藏得更深，位于一层薄得容易被忽略的表皮里：显微镜下的微孔，四周由成对的保卫细胞围合。

这些微孔就是气孔。植物活着时，二氧化碳从这里进入叶片参与光合作用，水蒸气也由此逸出。植物可以开合每一个气孔，也会在发育阶段作出较长期的安排：形成多少气孔，气孔长到多大，又分布在哪里。许多植物谱系在较低二氧化碳浓度下长出的叶片气孔较多，在较高浓度下长出的叶片气孔较少。角质层若在化石化过程中保存下来，部分发育响应也会随之留存。[1][2]

这套原理常被缩写成一则诱人的说法：数出化石气孔，便能读出远古空气。实际方法更扎实，要求也更高。它读取保存下来的解剖形态，叶片中并没有一团封存至今的古代大气。研究者还要借助现代校准、分类学比较、实验室制备、重复取样和模型，才能把形态转成代理指标；模型的各项假设也须与结果一同报告。

大气在这里以细胞之间的比例留存。

有用的化石信息藏在叶片外皮中

压型化石有时只剩一道深色轮廓，也有一些保留了原始碳质角质层的局部。角质层是一层蜡质外被，曾保护叶片免受干燥、紫外线和磨损。只要细胞轮廓仍可辨认，古植物学家便能分离角质层，区分上、下表面，并在透射光、荧光或扫描电子显微镜下观察表皮。保存质量决定标本能够交出哪些信息：可辨认的叶片、可计数的细胞、可测量的气孔几何形态，或其中几项的组合。[1][4]

封面照片隐去了最重要的微观尺度，也把各层信息的次序清楚地摆了出来。照片中的 Smithsonian 标本 USNM P 37192 A 被鉴定为 Ginkgo adiantoides，采自华盛顿州斯波坎附近的中中新世 Latah 组。扇形叶印痕和分叉叶脉清晰可见，单个气孔则超出了这个尺度的分辨范围。馆藏页面对这件标本是否保留适合二氧化碳研究的角质层未作说明。这幅忠实的宏观图像展示了有时能够保存微观档案的化石器官；一片外形漂亮的叶化石能否成为古大气标尺，还须由角质层证据决定。[7]

两个指标很容易混淆。气孔密度指单位叶面积内的气孔数量。气孔指数指表皮细胞中气孔所占的百分比：以气孔数量除以气孔与普通表皮细胞的数量之和，再乘以 100。[1][2]

即便植物生成的气孔数量相同，气孔密度仍会改变，因为气孔分化完成后，其余叶片组织的扩展程度会有差异。气孔指数把气孔与相邻细胞放进同一个分母，因而能部分校正这种扩展效应。遮阴、水分胁迫、发育、分类差异和保存状态的影响依然存在。它追问的范围很明确：这片取样表皮中，有多大比例分配给了气体交换孔？[1][2]

这个分母让代理指标立足于解剖信息。一片扇形化石隔着房间便能让人认出银杏类叶片；二氧化碳估算还需要保存足够完整的细胞形态，以便分清哪些小形状是具有功能的气孔，哪些是普通表皮细胞，哪些只是损伤、矿物薄膜或发育停滞留下的痕迹。

古老叶片需要现生校准

气孔频度与二氧化碳之间的反向趋势源于生物响应，无法像统一的物理定律那样套用于所有植物；不同物种的反应方向和幅度各异。有些植物主要调整气孔开度以调节气体交换；有些会在气孔数量或大小上作出幅度较大的发育调整。这项关系还受光照、供水、海拔、叶片位置和基因组历史影响。因此，每项校准都有自己的推断空间（inference space），也就是这项关系真正接受过检验的分类单元和环境范围。[1][2]

现生 Ginkgo biloba 格外重要，因为带有采集日期的历史腊叶标本，让同一谱系能够与已有测量记录的大气二氧化碳上升相对照。Richard Barclay 与 Scott Wing 使用 1877 年以来采集的历史腊叶标本，以及在户外生长的现代叶片，重新建立 Ginkgo 气孔指数与二氧化碳之间的关系。校准范围约为 290 至 430 ppm（百万分率）。生长室内培养的叶片另作考察，但没有纳入响应曲线，因为其中许多气孔发育畸形，测量结果的变异也很大。被归入 Ginkgo adiantoides 的化石叶片在形态和生境偏好上足够相似，具有科学比较价值；这项比较仍以生理响应在演化中得到保留为前提，无法证明灭绝树种的反应与现生近亲完全相同。[3]

校准范围与形态相似程度同样重要。在二氧化碳浓度较高的区间，响应曲线有趋平的倾向：当叶片已大幅减少气孔配置，二氧化碳继续增加所带来的解剖变化会很小。若把现代曲线远远外推到塑造它的观测范围之外，差异很大的远古大气便会对应相近的气孔指数。Barclay 与 Wing 明确认为，Ginkgo 在 430 ppm 以上的响应约束不足。化石年代超出现代数据的时间范围，公式的校准程度并不会随之提高。[2][3]

即使处于测量范围内，计数方法也会留下痕迹。在 Ginkgo 的重新校准中，研究团队从另一团队研究过的六件历史腊叶标本上改取其他叶片，再次计数；所得气孔指数均低于原计数。这项差异反映叶片、制备与计数规程的变异，并不能据此认定任何一组数据失实。同一标本记录不足以保证其中的叶片可以互换。另一项单叶内部检验则显示，五个取样区域之间的差异未达显著水平。重复取样让分歧与无显著差异的结果都显现出来。[3]

制备会改善一项测量，也会损伤另一项

计数开始以前，化石必须经受住从岩石到显微镜载玻片的一整套处理。Xiaoqing Zhang 等人于 2025 年发表的最佳实践综述把这套处理视为一连串选择，具体方案随保存类型而变。研究者有时要溶解矿物基质，使煤化叶肉透明化以便光线穿过，也要用细针或细刷将上、下角质层轻轻分开。适用于一种保存类型的酸、氧化剂和碱，换到另一种材料上会把角质层撕碎、削得过薄，或使其变得模糊。[4]

这里还存在一项不易察觉的冲突。某种处理能把细胞轮廓清理得极为漂亮，适合气孔计数，却也会改变角质层的化学组成；一些机理性二氧化碳模型又需要把碳同位素组成作为输入。若先对整份样品作化学处理，清晰图像的代价会落在同位素测量上。最佳实践综述因此强调从较弱的处理开始试验，全程监测，并合理安排分析顺序；当两类数据都需要时，应先完成破坏性较低的观察或化学测量，再进入不可逆的制备步骤。[4]

取样进入载玻片之后仍在继续。气孔的分布不像机器印出的圆点。叶基与叶尖之间、叶脉之间、阳叶与阴叶之间，同一棵树的不同叶片之间，以及不同个体之间，计数都可出现差异。经得起复核的研究会记录每个视野的位置，在多片叶片上计数多个视野，分别保存各生物学重复的数据，并检验继续增加样本是否仍会改变平均值。细胞壁再清晰的一张显微照片也只代表一个取样视野；森林尺度需要更充分的重复采样。[3][4]

化石化又加上一重筛选。角质层会出现褶皱、收缩、开裂、彼此重叠，也会只保留耐受性格外强的局部。研究者必须证明纳入计数的视野彼此可比，还要说明埋藏没有选择性抹去某一类细胞。照片中的叶片轮廓是化石证据，取样所得的角质层是其中较小的子集，大气估算则是建立在这个子集上的推断。

模型更复杂，仍然离不开校准

气孔信息转换成二氧化碳浓度，大体有两种方法。经验方法先在现生或近代材料中拟合某项已测特征与已知二氧化碳浓度的关系，这项特征通常是气孔指数，随后把所得转换函数应用于相应的化石类群。它的优势是直接校准，局限则在于依赖响应的延续性，也容易外推到检验范围之外。[1][2][3]

机理方法从叶片功能出发。Peter Franks 等人提出的模型把气孔密度和气孔孔口尺寸、碳同位素判别值，以及光合作用与气体导度参数结合起来。它超越单项现代气孔指数与二氧化碳之间的相关关系，估算叶片的解剖能力与碳收支会如何协同运作。[1][5]

加入这些生物学信息很有价值，尤其适用于找不到相同现生物种的灭绝植物，不过模型仍带有假设。光合速率、叶片正常工作时的导度占最大导度的比例、边界层行为等变量，无法全部从化石中直接观测，其中一些仍须取自现生近亲或功能相当的现生物种。参数越多，模型描绘的生理过程越细，不适用的现代取值也越容易从不同环节进入。[1][3][5]

Ginkgo 检验提醒人们，模型的复杂程度不能单独决定高下。在现代校准数据集中，Barclay 与 Wing 发现，机理模型的平均预测误差约为气孔指数回归模型的五倍，而且多数估算偏高。这项结果只适用于此次检验，并未否定化石记录中的全部机理建模。它说明，模型的可信度来自它能否重现目标类群的已知条件，方程的长度本身不能赋予这种可信度。[3][5]

失效方式各异的方法相互吻合时，证据最强

当一项代理指标与另一类证据趋于一致，而且两者没有共享全部薄弱环节，它的说服力便会增强。一项关于伊利诺伊盆地晚宾夕法尼亚世和早二叠世冰期—间冰期旋回的研究，在同一地层体系内配对取样化石植物角质层与古土壤中形成的碳酸盐。研究者使用已灭绝的髓木类（medullosan）种子植物叶片，所得经验气孔估算与机理气孔估算呈现相近的变化；古土壤代理指标、海平面记录和模型计算的冰量则带来独立的背景信息。这种一致性支持大气信号随时间变化的解释，同时削弱单次校准偶然吻合的解释。[1][6]

独立一词仍需谨慎使用。有些样品共用一套带有不确定性的年代模型；植被和土壤形成对当地水文条件也有共同响应，不同计算之间还会出现共用一项假设的情况。多代理分析的价值不在于投票，三项估算也不会自动压过一项。它的长处在于诊断：记录相合之处会提高可信度；记录出现分歧时，分歧的形态有助于找出分类校准问题、保存偏差、地层错配，或需要重新审视的模型参数。[2][6]

任何关于化石叶片二氧化碳的标题，都应放在这个尺度上阅读。先看材料：哪一分类单元留下了角质层，叶片哪一面得到保存和计数，细胞轮廓是否清晰，研究总共计数了多少视野和多少片叶片。再看推断：校准使用了哪些现代材料，远古估算是否落在校准范围内，哪种模型把解剖信息转换成大气数据，另一项代理指标是否呈现相同变化。不确定区间应当纳入取样、校准和模型误差；显微镜计数的精度只是其中一项。[2][4]

一枚化石气孔直接保存的是叶片解剖形态。它的身份、密度、尺寸和相邻细胞都属于观察结果。植物的气体交换策略属于生理解释。大气二氧化碳则是模型计算的结果。区分这些层次不会削弱代理指标。它让人看清一个微观特征为何可以把推断延伸到一片叶子之外，也能明确它本身并未容纳整片天空。

照片中的标本托盘托着一片深色扇叶，大气无法从中直接看见。若角质层保存下来，它便等待着一套严谨的比较将其读出：气孔与细胞、化石与腊叶标本、制备与化学分析，以及一种模型与另一种模型。

来源

1. Jennifer C. McElwain 与 Margret Steinthorsdottir，“Paleoecology, Ploidy, Paleoatmospheric Composition, and Developmental Biology: A Review of the Multiple Uses of Fossil Stomata”，Plant Physiology 174（2017）——气孔解剖、经验与机理二氧化碳代理指标、分类单元响应及交叉校准。
2. Gregory J. Jordan，“A critical framework for the assessment of biological palaeoproxies: predicting past climate and levels of atmospheric CO2 from fossil leaves”，New Phytologist 192（2011）——推断空间、校准、外推和演化不确定性。
3. Richard S. Barclay 与 Scott L. Wing，“Improving the Ginkgo CO2 barometer: Implications for the early Cenozoic atmosphere”，Earth and Planetary Science Letters 439（2016）——历史腊叶标本校准、计数差异、模型检验，以及超出已观测二氧化碳范围后的局限。
4. Xiaoqing Zhang 等，“Fossil leaf cuticle: Best practices for preparation and paleo-CO2 analysis”，Earth-Science Reviews 264（2025）——角质层分离、清理、显微观察、取样设计和分析顺序之间的取舍。
5. Peter J. Franks 等，“New constraints on atmospheric CO2 concentration for the Phanerozoic”，Geophysical Research Letters 41（2014）——结合气孔几何形态、碳同位素与生理参数的叶片气体交换模型。
6. Isabel P. Montañez 等，“Climate, pCO2 and terrestrial carbon cycle linkages during late Palaeozoic glacial–interglacial cycles”，Nature Geoscience 9（2016）——伊利诺伊盆地旋回地层中配对取得的化石角质层和古土壤记录。
7. Cynthia Walden 与 Smithsonian Institution，“Ginkgo adiantoides USNM 37192 img2”，Wikimedia Commons（2021）——CC0 化石叶片照片的来源和馆藏记录，图像截取自完整标本照片。