温度计是我们常见的测温仪器，如测量体温的水银温度计、鱼缸常用的液晶温度计、工业生产中的温差电偶温度计等。那么，你见过化石温度计吗？它测量的会是什么神秘温度呢？
自然博物馆收藏、展示着各种各样的生物化石，大到恐龙骨架，小到肉眼难辨的单细胞微小生物遗骸。通过研究这些化石，古生物学家可以为地球的漫长历史编制年代表，复原史前地表环境，还可以揭示生物进化的过程和机制，探知地球演化的奥秘。
在地球上的不同环境中，生活着特定种类和形态的生物。这些生物活着的时候，就会从周围环境吸收营养物质，所以它们体内某些物质元素的多寡也与其生存的环境有关。如果把生物与环境的对应关系应用于化石研究，就可以推断史前的地球环境和气候变迁。
在对化石做一些特别的分析后，科学家甚至可以定量推算出远古时期生物所处的环境情况，如算出气温、水温、海拔高度、海水深度，等等。这些特别的分析手段大致有以下2种。古生物学方法：就是利用化石的标志性种类或者化石群落的种类构成来推定古时的环境。地球化学方法：则是通过分析化石中特定的成分或者元素来计算古环境参数。
这里我会重点给大家聊聊地球化学的方法之一，即用化石壳体中镁/钙元素的比例，来推算古时海水的温度。在海洋中，许多生物都会吸收海水中的碳酸钙来形成坚硬的壳体。早在上世纪20年代，人们就发现这些海洋生物的壳体中除了碳酸钙，还存在着微量的碳酸镁。并且，镁元素的含量还与海水的温度存在着一定关联性。
后来科学家们通过大量的实验工作，在上世纪90年代确立了有孔虫壳体中镁/钙比值与温度的函数方程。有孔虫是海洋中大量存在的一类单细胞动物，身体包裹在碳酸钙壳体中，大小通常不超过1毫米。它们中有的在海水中漂浮一生，被称为“浮游有孔虫”；有的则把身体固定在海底沉积物上，称为“底栖有孔虫”。
那么，为什么有孔虫壳体中的镁/钙比值可以反映古水温呢？生物在生长过程中，会从海水中吸收镁/钙等元素形成碳酸盐壳体，而海水中镁/钙比值几乎是恒定不变的。实验结果表明，生活在大海里的有孔虫，它们壳体中的镁/钙比值会随着海水温度升高而增高。而镁置换碳酸盐中的钙是一个吸热过程，所以温度升高会导致有孔虫壳体中镁含量的增加。
死亡后的有孔虫被埋藏保存在海底沉积物中以后，其壳体的镁/钙比值一般不发生变化，可以记录它们活着时的周围海水温度信息。如此，人们就可以用有孔虫壳体镁/钙比值来反推海水温度的变化了。经测定发现，海水温度每升高1摄氏度，浮游有孔虫壳体镁/钙比值会增加8%～10%。这个增加速率比底栖有孔虫和无机碳酸钙中镁/钙比的增加速率都高，说明浮游有孔虫对水温的变化更加灵敏。
镁/钙比值与水温之间的关系，可以用如下的曲线图来表示：一些种类的有孔虫壳体镁/钙比值与水温的回归曲线（引自K. Kimoto, 2009）。上世纪90年代到本世纪初始，欧美的几位科学家收集了许多海域的材料，通过测试分析三种浮游有孔虫（袋拟抱球虫、泡抱球虫、普通圆球虫）的壳体元素，终于建立了浮游有孔虫镁/钙比值与水温关系的经验公式。
测试有孔虫壳体的镁/钙比值时，普遍使用的仪器是质谱仪。而有孔虫个头很小，壳体中镁元素含量本来就低，轻微的污染也会对测试结果产生不小的影响，所以能否彻底清洗有孔虫壳体就成为了获得准确测试值的关键。为了减少污染，人们需要在显微镜下挑选尽可能完整、无充填物的干净有孔虫壳体，然后放入超声波清洗机中用去离子水清洗。
镁/钙化石温度计自从诞生以来，为人类了解地球气候的冷暖变迁做出了不小贡献，我们先来看看下面这几个例子。上世纪90年代到本世纪初始，欧美的几位科学家根据浮游有孔虫化石镁/钙分析结果，得出了以下的结论：赤道太平洋海域的表层海水温度在2万年前的末次冰期最盛期时比现在低2～3.5摄氏度。
2万年前的冰期中，伴随着气温下降，海平面也下降了120米左右，中国渤海、黄海和东海大陆架的海水都退去，当时的人们可以徒步从上海走到韩国、日本。镁/钙化石温度计在我国沿海古环境研究中也得到了应用，例如在2012年，中国科学院南京地质古生物研究所的李保华教授团队用这种方法复原了过去45万年以来南海的表层水温变化，发现冰期和间冰期的平均温差达到4.8摄氏度。
镁/钙化石温度计，还可以用来推算更古老时期的水温！2003年，加利福尼亚大学的地球化学家詹姆斯·扎科斯（James Zachos）分析浮游有孔虫两个属的镁/钙比值，发现5500万年前（新生代最暖时期）西太平洋的表层水温度在短时期里升高了5摄氏度，这与当时大气中二氧化碳浓度增加3～4倍的记录相对应，说明当时海水升温是由于大气中温室气体增加而造成的。
撰写此文之际，网上报道了南京大学地球化学研究团队对于有孔虫壳体中碳酸镁形成机理的研究进展。科研人员利用X射线衍射、电子显微镜、等离子发射光谱等多种手段，成功地解释了镁/钙比值为什么在有孔虫壳体中这么低以及壳体镁/钙比值随温度变化为什么这么敏感这两个方面的化学原理。这一发现使得有孔虫镁/钙化石温度计由经验模型向定量模型迈出了重要一步。看来，镁/钙化石温度计今后将会变得更加可靠好用。