現(xiàn)在的印度次大陸在 5000 萬年前撞擊亞洲，改變了大陸的結(jié)構(gòu)、地貌和全球氣候等。現(xiàn)在，美國普林斯頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)效應(yīng)：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(xué)研究生 Emma Kast 是近日發(fā)表在《科學(xué)》上的相關(guān)論文的第一作者。“這些結(jié)果與人們之前所見的任何結(jié)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(chuàng)造了一個(gè)海洋氮記錄，時(shí)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(xué)地球科學(xué)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(xiàn)。

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

　　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(guān)鍵。“我研究氮是為了幫助研究全球環(huán)境。”普林斯頓大學(xué)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(shí)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(zhuǎn)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(lán)藻能為所有其他海洋生物固定氮。隨著藍(lán)細(xì)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(huán)的百萬年變化知之甚少。“我們對百萬年的變化知之甚少，因?yàn)槲覀冊谶@么長的時(shí)間尺度上對氮循環(huán)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(guī)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(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。

　　而氮有兩個(gè)穩(wěn)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(xiàn)，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(jī)質(zhì)，是一個(gè)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(xué)的 Sigman 課題組一直在開發(fā)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(xì)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(xué)報(bào)》，有孔蟲是一種具殼的海洋原生動物，殼體包裹著細(xì)胞質(zhì)團(tuán)。由于有孔蟲化石在各個(gè)地質(zhì)時(shí)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(huán)境變化。

　　Kast 團(tuán)隊(duì)首次將該方法用到百萬年尺度的氮循環(huán)研究，對太平洋、北大西洋和南大西洋 3 個(gè)鉆孔 70—25 百萬年前(Ma)的浮游有孔蟲的氮同位素進(jìn)行了分析，建立了這一時(shí)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(wěn)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?dú)?過程所發(fā)生的位置及通量。“當(dāng)反硝化作用發(fā)生在缺氧的水柱中時(shí)，其同位素效應(yīng)能夠很好表現(xiàn)出來，使得殘余的硝酸鹽富集15N，而當(dāng)反硝化發(fā)生在沉積物中時(shí)，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(jié)合大地構(gòu)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(jìn)行了探討。羅根明提到，古新世高的 FB—δ15N與當(dāng)時(shí)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(kuò)張有關(guān)，后者使得反硝化作用加強(qiáng)。相對應(yīng)的，始新世中—晚期以來的低 FB—δ15N值與低的溫度相對應(yīng)，說明這時(shí)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(dāng)研究人員收集了前所未有的海洋氮地質(zhì)記錄后，他們發(fā)現(xiàn)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(rèn)為這是當(dāng)時(shí)溫暖的氣候造成的，因?yàn)檠鯕庠跍嘏乃胁蝗菀兹芙狻５珪r(shí)間卻告訴人們另一個(gè)故事：海洋氧氣含量的增加發(fā)生在 5500 萬年前，當(dāng)時(shí)氣候持續(xù)變暖。

　　“與我們最初的預(yù)期相反，全球氣候并不是海洋氧氮循環(huán)變化的主要原因。”Kast 說。更有可能的罪魁禍?zhǔn)资钦l?板塊構(gòu)造。

　　印度與亞洲的碰撞——被現(xiàn)代氣候研究創(chuàng)始人之一、地球科學(xué)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(lián)系。

　　研究人員推測，由于特提斯洋的關(guān)閉，終止了特提斯洋高溫、高鹽及低氧的水體進(jìn)入大西洋，進(jìn)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(kuò)張的影響。

　　“冰蓋擴(kuò)張使得陸架水域面積減小，進(jìn)而降低了沉積物中的反硝化作用，減緩了固氮微生物補(bǔ)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(gòu)建了基于有孔蟲殼體的長時(shí)間尺度的氮同位素變化特征，并探討了氮循環(huán)與氣候和大地構(gòu)造背景的內(nèi)在聯(lián)系，為理解當(dāng)前全球變暖背景下氮循環(huán)波動及其對氣候的反饋機(jī)制有重要的參考價(jià)值，論文對后者的討論較為不足。此外，對于一些細(xì)節(jié)問題，如特提斯洋的關(guān)閉為何對太平洋的影響更為明顯，以及區(qū)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(jìn)一步討論。

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