千萬年前，無論大陸還是海洋都與現在不同。圖片來源：Emma Kast

　　本報記者唐鳳

　　現在的印度次大陸在 5000 萬年前撞擊亞洲，改變了大陸的結構、地貌和全球氣候等。現在，美國普林斯頓大學研究團隊發現了另一個效應：世界海洋中的氧氣增多，改變了生命生存的條件。

　　該校地球科學研究生 Emma Kast 是近日發表在《科學》上的相關論文的第一作者。“這些結果與人們之前所見的任何結果都不同，碰撞改變之大讓我們感到意外。”Kast 說。

　　Kast 用顯微鏡下的貝殼創造了一個海洋氮記錄，時間跨度從 7000 萬年前——恐龍滅絕前不久——到 3000 萬年前。普林斯頓大學地球科學副教授、論文作者之一 John Higgins 說，這一記錄對全球氣候研究作出了巨大貢獻。

　　“海洋生物可利用氮的多寡是影響海洋生產力的重要因素，且氮的生物地球化學循環會產生大量溫室效應氣體。因而，氮循環的波動對全球氣候變化有著重要影響，是當前全球變化研究的重要科學問題之一。認識氮循環對理解當前全球氣候變暖背景下氮循環變化及發展趨勢有重大意義。”中國地質大學（武漢）副教授羅根明告訴《中國科學報》。

　　從氮開始

　　氮不僅是大氣中最豐富的氣體，也是地球上所有生命的關鍵。“我研究氮是為了幫助研究全球環境。”普林斯頓大學教授、論文資深作者 Daniel Sigman 說。

　　地球上的每一種生物都需要“固定”氮——有時也被稱為“生物可利用氮”。但很少有生物體能通過將這種氣體轉化為一種對生物有用的形式來“固定”它。不過，在海洋中，表層水中的藍藻能為所有其他海洋生物固定氮。隨著藍細菌和其他生物的死亡和下沉，它們會分解。

　　但一直以來，人們對海洋氮循環的百萬年變化知之甚少。“我們對百萬年的變化知之甚少，因為我們在這么長的時間尺度上對氮循環的記錄有限。特別是在新生代早期，氮同位素記錄非常少，并且沒有明顯的規律。此外，之前的記錄都是用‘大塊沉積氮’，換句話說，就是海洋沉積物樣本中所有的氮。然而，其中保存原始的氮同位素信號是值得懷疑的。”Kast 在接受《中國科學報》采訪時說。

　　而氮有兩個穩定的同位素，¹⁵N和¹⁴N。在缺氧水域，分解會消耗“固定”氮。但對較輕的¹⁴N有輕微偏好，所以海洋的¹⁵N/¹⁴N比值反映了其氧氣水平。

　　這一比例能被一種稱為有孔蟲的微小生物所體現，它們死后將其保存在殼中。通過分析化石，Kast 和同事能夠重建古代海洋的¹⁵N/¹⁴N比值，從而確定海洋氧氣水平的變化。

　　“氮同位素的主要研究對象是沉積物中的總體有機質，是一個混合的信號，其較容易受到后期成巖和樣品處理的污染。”羅根明說，“普林斯頓大學的 Sigman 課題組一直在開發利用有孔蟲殼體作為氮同位素研究的重要載體，并取得了大量成果。”

　　小蟲子的“史記”

　　Kast 的主要研究對象是有孔蟲，這些小小的單細胞動物記錄了海洋百萬年的歷史。

　　中科院水生生物研究所王海軍告訴《中國科學報》，有孔蟲是一種具殼的海洋原生動物，殼體包裹著細胞質團。由于有孔蟲化石在各個地質時期保存較好，殼體使得有孔蟲在埋藏之后其同位素不太容易受外源元素的污染，因此常用于指示古環境變化。

　　Kast 團隊首次將該方法用到百萬年尺度的氮循環研究，對太平洋、北大西洋和南大西洋 3 個鉆孔 70—25 百萬年前（Ma）的浮游有孔蟲的氮同位素進行了分析，建立了這一時期較高分辨率的氮同位素組成的變化特征：古新世（~56—65 Ma）較為穩定的高值階段，始新世早期（~56—50 Ma）的快速下降階段，始新世中—晚期（~50—34 Ma）的低值階段以及漸新世早期的逐漸升高階段。

　　有孔蟲殼體的氮同位素組成（FB—δ¹⁵N）主要受控于反硝化（將硝酸鹽還原成氮氣）過程所發生的位置及通量。“當反硝化作用發生在缺氧的水柱中時，其同位素效應能夠很好表現出來，使得殘余的硝酸鹽富集¹⁵N，而當反硝化發生在沉積物中時，由于該過程比較徹底，反硝化作用會消耗水體的生物可利用氮，但對水體的氮同位素組成沒有影響。”羅根明說。

　　結合大地構造背景、不同水層溫度變化特征及兩極冰蓋的演化，Kast 等人對上述氮同位素組成的變化進行了探討。羅根明提到，古新世高的 FB—δ¹⁵N與當時高海水溫度相一致，可能與高溫所引起的海洋中層低含氧帶的擴張有關，后者使得反硝化作用加強。相對應的，始新世中—晚期以來的低 FB—δ¹⁵N值與低的溫度相對應，說明這時期海洋中層水缺氧程度和水體反硝化作用減弱。

　　隱藏的“兇手”

　　當研究人員收集了前所未有的海洋氮地質記錄后，他們發現在恐龍滅絕后的 1000 萬年里，¹⁵N/¹⁴N的比例很高，這表明海洋的氧氣水平很低。起初，他們認為這是當時溫暖的氣候造成的，因為氧氣在溫暖的水中不容易溶解。但時間卻告訴人們另一個故事：海洋氧氣含量的增加發生在 5500 萬年前，當時氣候持續變暖。

　　“與我們最初的預期相反，全球氣候并不是海洋氧氮循環變化的主要原因。”Kast 說。更有可能的罪魁禍首是誰？板塊構造。

　　印度與亞洲的碰撞——被現代氣候研究創始人之一、地球科學家 Wally Broecker 稱為“改變世界的碰撞”——封閉了古特提斯海，擾亂了大陸架及其與公海的聯系。

　　研究人員推測，由于特提斯洋的關閉，終止了特提斯洋高溫、高鹽及低氧的水體進入大西洋，進而減弱了水體的反硝化作用。同樣，漸新世以來的 FB-δ¹⁵15N 升高可能也受到了冰蓋擴張的影響。

　　“冰蓋擴張使得陸架水域面積減小，進而降低了沉積物中的反硝化作用，減緩了固氮微生物補充的氮量（具有低的氮同位素組成）。”羅根明說。

　　羅根明還提到，這篇文章構建了基于有孔蟲殼體的長時間尺度的氮同位素變化特征，并探討了氮循環與氣候和大地構造背景的內在聯系，為理解當前全球變暖背景下氮循環波動及其對氣候的反饋機制有重要的參考價值，論文對后者的討論較為不足。此外，對于一些細節問題，如特提斯洋的關閉為何對太平洋的影響更為明顯，以及區域性固氮微生物的活動對氮同位素組成的影響，也值得更進一步討論。

　　“論文提出了很多問題，未來有無數工作等著我們。例如，我們想做一些更嚴格的氣候和海洋模型，了解海洋環流變化的可能性及其對海洋氮和氧的影響。”Kast 說。

　　相關論文信息：DOI:10.1126/science.aau5784

總結

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