來自原始海洋的時間膠囊

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

然而，在一項新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，一個研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種獨特的“自然見證者”：微小的蛋形氧化鐵顆粒（卵狀物），可以直接反映遠古海洋中的碳儲量。

蛋形氧化鐵顆粒的橫截面：如同時間膠囊般保存著數(shù)百萬年前海洋中有機碳含量的信息。（圖/Nir Galili /ETH Zurich）

從外觀上看，它們像沙粒，但就形成過程而言，這些被稱為鮞粒的顆粒更像滾動的雪球：它們在海浪推動下在海底逐層生長，同時在生長過程中捕捉并固化有機碳分子，將其鎖進晶體結構中。

通過分析這些顆粒，研究人員成功將海洋中有機碳的數(shù)據(jù)追溯至16.5億年前。研究結果顯示，在10億至5.41億年前的新元古代，海洋中的有機碳儲量遠低于此前假設。這推翻了對當時常見的地球化學與生物事件的普遍解釋，并為地球歷史提供了新的視角。

海洋中的碳循環(huán)

海洋中蘊含著一個巨大的“隱形碳庫”，其中含有的溶解有機碳（DOC）儲量碳非常龐大，約包含高達 660 × 101? 克碳，這個數(shù)量大致相當于工業(yè)化之前大氣中的二氧化碳（CO?）儲量。

那么，這些碳是如何進入海洋的呢？一方面，它們可以通過CO?從空氣溶解進入海水，并隨洋流進入深海，在那里長期滯留。另外，光合生物（如浮游植物和細菌）利用陽光的能量和二氧化碳，合成有機碳化合物。當這些生物死亡之后，又會以“海雪”的形式緩緩沉入海底。如果它們在抵達海底的途中沒有被其他生物消耗，就會在海底保存數(shù)百萬年。

然而，除了浮游生物之外，碳元素還可以通過“生命基石的循環(huán)利用”保持供應：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，形成溶解有機碳。這些分子在海洋中自由漂浮，其中所包含的碳儲量是實際被“鎖”在生物體內的碳的200倍。

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

當然，這些有機碳不會永遠存在。它們會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，甚至還和溶解有機碳的濃度有關。

科學家估計，在深海中，約30%的溶解有機碳是近幾十年里通過微生物循環(huán)形成的，這些比較“新”的溶解有機碳分解得快，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年，相當于經(jīng)歷30次海洋環(huán)流。這部分被稱為“難降解”或“超難降解”的溶解有機碳，就像一種“深海時間膠囊”。

正因為這些成分的壽命極長，它們就像一個“定時器”：哪怕消耗速率稍微有一點變化，都可能在幾千到幾十萬年的時間里，導致海洋碳儲量的大波動，進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，科學家們曾推測在10億至5.41億年前，海洋中有著儲量特別龐大的溶解有機碳，這一假設長期用于解釋冰河時代和復雜生命的出現(xiàn)。

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

生命的光合作用不僅產(chǎn)生了有機碳，還使氧氣開始在大氣中積累。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代。盡管如此，生命依舊不斷進化、創(chuàng)新：在第一次事件（約24億至21億年前）中，生物體發(fā)展出了一種依賴氧氣的高效代謝方式，從而促進了復雜生命的誕生。

遠低于預期的碳含量

在新的研究中，研究團隊利用卵狀體顆粒開發(fā)的一種新方法，直接測定了當時海洋碳庫的規(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）

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

這樣的結果意味著，我們需要新的解釋來說明冰河時代、復雜生命和氧氣上升之間的關系。研究人員認為，在新元古代，生命出現(xiàn)了更大的細胞、群體型原核生物，以及復雜的多細胞真核生物。這些生物死亡后會更快下沉，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，從而導致碳庫急劇縮減。直到氧氣在深海中累積，碳儲量才恢復到今天的規(guī)模。

從遠古海洋到未來啟示

雖然這些研究涉及的是遙遠的古代，但結果對未來同樣重要：它們改變了我們對地球生命的進化乃至系外行星上的生命可能如何發(fā)展的認識。

同時，這些成果幫助我們理解地球如何應對干擾。而人類本身正是當下最大的干擾因素之一：人類活動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，遠古發(fā)生過的事件，或許在未來也可能重演。

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Nir Galili /ETH Zurich