地球科學(xué)家在研究地球歷史時(shí)，常常面臨巨大挑戰(zhàn)。由于許多重大事件發(fā)生在遙遠(yuǎn)的過(guò)去，因此幾乎無(wú)法找尋到任何直接證據(jù)。因此，科學(xué)家往往不得不依賴(lài)于間接線索或計(jì)算機(jī)模型。

然而，在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的“自然見(jiàn)證者”：微小的蛋形氧化鐵顆粒（卵狀物），可以直接反映遠(yuǎn)古海洋中的碳儲(chǔ)量。

蛋形氧化鐵顆粒的橫截面：如同時(shí)間膠囊般保存著數(shù)百萬(wàn)年前海洋中有機(jī)碳含量的信息。（圖/Nir Galili /ETH Zurich）

從外觀上看，它們像沙粒，但就形成過(guò)程而言，這些被稱(chēng)為鮞粒的顆粒更像滾動(dòng)的雪球：它們?cè)诤＠送苿?dòng)下在海底逐層生長(zhǎng)，同時(shí)在生長(zhǎng)過(guò)程中捕捉并固化有機(jī)碳分子，將其鎖進(jìn)晶體結(jié)構(gòu)中。

通過(guò)分析這些顆粒，研究人員成功將海洋中有機(jī)碳的數(shù)據(jù)追溯至16.5億年前。研究結(jié)果顯示，在10億至5.41億年前的新元古代，海洋中的有機(jī)碳儲(chǔ)量遠(yuǎn)低于此前假設(shè)。這推翻了對(duì)當(dāng)時(shí)常見(jiàn)的地球化學(xué)與生物事件的普遍解釋?zhuān)榈厍驓v史提供了新的視角。

海洋中的碳循環(huán)

海洋中蘊(yùn)含著一個(gè)巨大的“隱形碳庫(kù)”，其中含有的溶解有機(jī)碳（DOC）儲(chǔ)量碳非常龐大，約包含高達(dá) 660 × 101? 克碳，這個(gè)數(shù)量大致相當(dāng)于工業(yè)化之前大氣中的二氧化碳（CO?）儲(chǔ)量。

那么，這些碳是如何進(jìn)入海洋的呢？一方面，它們可以通過(guò)CO?從空氣溶解進(jìn)入海水，并隨洋流進(jìn)入深海，在那里長(zhǎng)期滯留。另外，光合生物（如浮游植物和細(xì)菌）利用陽(yáng)光的能量和二氧化碳，合成有機(jī)碳化合物。當(dāng)這些生物死亡之后，又會(huì)以“海雪”的形式緩緩沉入海底。如果它們?cè)诘诌_(dá)海底的途中沒(méi)有被其他生物消耗，就會(huì)在海底保存數(shù)百萬(wàn)年。

然而，除了浮游生物之外，碳元素還可以通過(guò)“生命基石的循環(huán)利用”保持供應(yīng)：微生物分解排泄物和死亡的生物體，從而釋放出可再利用的分子，形成溶解有機(jī)碳。這些分子在海洋中自由漂浮，其中所包含的碳儲(chǔ)量是實(shí)際被“鎖”在生物體內(nèi)的碳的200倍。

10億至5.41億年前（上）與現(xiàn)代（下）海洋碳循環(huán)的對(duì)比。（圖/S. Hegelbach and J. Kuster / ETH Zurich）

當(dāng)然，這些有機(jī)碳不會(huì)永遠(yuǎn)存在。它們會(huì)被深海里的微生物慢慢消耗，消耗的速度取決于很多因素：比如顆粒下沉的快慢、水溫、氧氣含量，甚至還和溶解有機(jī)碳的濃度有關(guān)。

科學(xué)家估計(jì)，在深海中，約30%的溶解有機(jī)碳是近幾十年里通過(guò)微生物循環(huán)形成的，這些比較“新”的溶解有機(jī)碳分解得快，容易循環(huán)；但剩下七成卻非常穩(wěn)定，平均要在深海里待上三萬(wàn)年，相當(dāng)于經(jīng)歷30次海洋環(huán)流。這部分被稱(chēng)為“難降解”或“超難降解”的溶解有機(jī)碳，就像一種“深海時(shí)間膠囊”。

正因?yàn)檫@些成分的壽命極長(zhǎng)，它們就像一個(gè)“定時(shí)器”：哪怕消耗速率稍微有一點(diǎn)變化，都可能在幾千到幾十萬(wàn)年的時(shí)間里，導(dǎo)致海洋碳儲(chǔ)量的大波動(dòng)，進(jìn)而影響大氣中二氧化碳的濃度，甚至改變地球氣候。

氧氣革命與地球巨變

根據(jù)沉積巖的異常特征，科學(xué)家們?cè)茰y(cè)在10億至5.41億年前，海洋中有著儲(chǔ)量特別龐大的溶解有機(jī)碳，這一假設(shè)長(zhǎng)期用于解釋冰河時(shí)代和復(fù)雜生命的出現(xiàn)。

地球歷史上的關(guān)鍵事件。（圖/Jordon Hemingway / ETH Zurich）

生命的光合作用不僅產(chǎn)生了有機(jī)碳，還使氧氣開(kāi)始在大氣中積累。在地球歷史上，兩次顯著的氧化事件，將氧氣含量提升到如今的21%。而且這兩次事件都伴隨著極端的冰河時(shí)代。盡管如此，生命依舊不斷進(jìn)化、創(chuàng)新：在第一次事件（約24億至21億年前）中，生物體發(fā)展出了一種依賴(lài)氧氣的高效代謝方式，從而促進(jìn)了復(fù)雜生命的誕生。

遠(yuǎn)低于預(yù)期的碳含量

在新的研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用卵狀體顆粒開(kāi)發(fā)的一種新方法，直接測(cè)定了當(dāng)時(shí)海洋碳庫(kù)的規(guī)模。

蛋形的氧化鐵顆粒：在電子顯微鏡下，它們宛如普通鵝卵石。（圖/Nir Galili / ETH Zurich）

他們的結(jié)果與此前所有假設(shè)都相矛盾：測(cè)量結(jié)果顯示，在10億至5.41 億年前，海洋中的溶解有機(jī)碳并不比現(xiàn)在多，事實(shí)上，反而比現(xiàn)如今少了90%至99%。直到第二次氧氣災(zāi)變之后，這一儲(chǔ)量才上升至如今約6,600億噸的水平。

這樣的結(jié)果意味著，我們需要新的解釋來(lái)說(shuō)明冰河時(shí)代、復(fù)雜生命和氧氣上升之間的關(guān)系。研究人員認(rèn)為，在新元古代，生命出現(xiàn)了更大的細(xì)胞、群體型原核生物，以及復(fù)雜的多細(xì)胞真核生物。這些生物死亡后會(huì)更快下沉，加劇了“海雪”的形成，使碳更多地沉積到海底。由于深海缺氧，這些碳難以循環(huán)利用，從而導(dǎo)致碳庫(kù)急劇縮減。直到氧氣在深海中累積，碳儲(chǔ)量才恢復(fù)到今天的規(guī)模。

從遠(yuǎn)古海洋到未來(lái)啟示

雖然這些研究涉及的是遙遠(yuǎn)的古代，但結(jié)果對(duì)未來(lái)同樣重要：它們改變了我們對(duì)地球生命的進(jìn)化乃至系外行星上的生命可能如何發(fā)展的認(rèn)識(shí)。

同時(shí)，這些成果幫助我們理解地球如何應(yīng)對(duì)干擾。而人類(lèi)本身正是當(dāng)下最大的干擾因素之一：人類(lèi)活動(dòng)造成的海洋變暖和污染正在引發(fā)海洋氧氣水平降低。這意味著，遠(yuǎn)古發(fā)生過(guò)的事件，或許在未來(lái)也可能重演。

#參考來(lái)源：

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2025/09/minute-witnesses-from-the-primordial-sea.html

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09383-3

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Nir Galili /ETH Zurich