来自原始海洋的时间胶囊

地球科学家在研究地球历史时，常常面临巨大挑战。由于许多重大事件发生在遥远的过去，因此几乎无法找寻到任何直接证据。因此，科学家往往不得不依赖于间接线索或计算机模型。

然而，在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个研究团队发现了一种独特的“自然见证者”：微小的蛋形氧化铁颗粒（卵状物），可以直接反映远古海洋中的碳储量。

蛋形氧化铁颗粒的横截面：如同时间胶囊般保存着数百万年前海洋中有机碳含量的信息。（图/Nir Galili /ETH Zurich）

从外观上看，它们像沙粒，但就形成过程而言，这些被称为鲕粒的颗粒更像滚动的雪球：它们在海浪推动下在海底逐层生长，同时在生长过程中捕捉并固化有机碳分子，将其锁进晶体结构中。

通过分析这些颗粒，研究人员成功将海洋中有机碳的数据追溯至16.5亿年前。研究结果显示，在10亿至5.41亿年前的新元古代，海洋中的有机碳储量远低于此前假设。这推翻了对当时常见的地球化学与生物事件的普遍解释，并为地球历史提供了新的视角。

海洋中的碳循环

海洋中蕴含着一个巨大的“隐形碳库”，其中含有的溶解有机碳（DOC）储量碳非常庞大，约包含高达 660 × 10¹⁵ 克碳，这个数量大致相当于工业化之前大气中的二氧化碳（CO₂）储量。

那么，这些碳是如何进入海洋的呢？一方面，它们可以通过CO₂从空气溶解进入海水，并随洋流进入深海，在那里长期滞留。另外，光合生物（如浮游植物和细菌）利用阳光的能量和二氧化碳，合成有机碳化合物。当这些生物死亡之后，又会以“海雪”的形式缓缓沉入海底。如果它们在抵达海底的途中没有被其他生物消耗，就会在海底保存数百万年。

然而，除了浮游生物之外，碳元素还可以通过“生命基石的循环利用”保持供应：微生物分解排泄物和死亡的生物体，从而释放出可再利用的分子，形成溶解有机碳。这些分子在海洋中自由漂浮，其中所包含的碳储量是实际被“锁”在生物体内的碳的200倍。

10亿至5.41亿年前（上）与现代（下）海洋碳循环的对比。（图/S. Hegelbach and J. Kuster / ETH Zurich）

当然，这些有机碳不会永远存在。它们会被深海里的微生物慢慢消耗，消耗的速度取决于很多因素：比如颗粒下沉的快慢、水温、氧气含量，甚至还和溶解有机碳的浓度有关。

科学家估计，在深海中，约30%的溶解有机碳是近几十年里通过微生物循环形成的，这些比较“新”的溶解有机碳分解得快，容易循环；但剩下七成却非常稳定，平均要在深海里待上三万年，相当于经历30次海洋环流。这部分被称为“难降解”或“超难降解”的溶解有机碳，就像一种“深海时间胶囊”。

正因为这些成分的寿命极长，它们就像一个“定时器”：哪怕消耗速率稍微有一点变化，都可能在几千到几十万年的时间里，导致海洋碳储量的大波动，进而影响大气中二氧化碳的浓度，甚至改变地球气候。

氧气革命与地球巨变

根据沉积岩的异常特征，科学家们曾推测在10亿至5.41亿年前，海洋中有着储量特别庞大的溶解有机碳，这一假设长期用于解释冰河时代和复杂生命的出现。

地球历史上的关键事件。（图/Jordon Hemingway / ETH Zurich）

生命的光合作用不仅产生了有机碳，还使氧气开始在大气中积累。在地球历史上，两次显著的氧化事件，将氧气含量提升到如今的21%。而且这两次事件都伴随着极端的冰河时代。尽管如此，生命依旧不断进化、创新：在第一次事件（约24亿至21亿年前）中，生物体发展出了一种依赖氧气的高效代谢方式，从而促进了复杂生命的诞生。

远低于预期的碳含量

在新的研究中，研究团队利用卵状体颗粒开发的一种新方法，直接测定了当时海洋碳库的规模。

蛋形的氧化铁颗粒：在电子显微镜下，它们宛如普通鹅卵石。（图/Nir Galili / ETH Zurich）

他们的结果与此前所有假设都相矛盾：测量结果显示，在10亿至5.41 亿年前，海洋中的溶解有机碳并不比现在多，事实上，反而比现如今少了90%至99%。直到第二次氧气灾变之后，这一储量才上升至如今约6,600亿吨的水平。

这样的结果意味着，我们需要新的解释来说明冰河时代、复杂生命和氧气上升之间的关系。研究人员认为，在新元古代，生命出现了更大的细胞、群体型原核生物，以及复杂的多细胞真核生物。这些生物死亡后会更快下沉，加剧了“海雪”的形成，使碳更多地沉积到海底。由于深海缺氧，这些碳难以循环利用，从而导致碳库急剧缩减。直到氧气在深海中累积，碳储量才恢复到今天的规模。

从远古海洋到未来启示

虽然这些研究涉及的是遥远的古代，但结果对未来同样重要：它们改变了我们对地球生命的进化乃至系外行星上的生命可能如何发展的认识。

同时，这些成果帮助我们理解地球如何应对干扰。而人类本身正是当下最大的干扰因素之一：人类活动造成的海洋变暖和污染正在引发海洋氧气水平降低。这意味着，远古发生过的事件，或许在未来也可能重演。

#参考来源：

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

#图片来源：

封面图&首图：Nir Galili /ETH Zurich