出品|网易科学人栏目组
译者|孙文文
地球上生态系统的稳定取决于碳循环，而碳循环又依赖于人们知之甚少的微生物生态系统。
在过去的5亿年中，地球上可能发生了五次生物大灭绝，每次都有超过3/4的物种从这个星球上消失。物种灭绝与地球碳循环的重大变化相关。有科学家认为，人为造成的环境变化——包括我们向大气中排放巨量二氧化碳——可能很快就会导致第六次大灭绝。这究竟是临危预警还是耸人听闻？
回答这个问题的关键在于认识到地球物理环境和其上生命之间不断地相互作用成为紧密耦合的系统。生命与非生命环境之间相互作用的核心即是碳循环。地表和海洋中的植物和微生物从大气中吸收二氧化碳，通过光合作用将碳固定为生物体中的有机物。其他生物——主要是微生物，还有动物和人类——代谢有机物，将其中的碳重新释放到大气层中。这一过程被称为“呼吸作用”，与光合作用正好相反。光合作用可在数草绿叶和海洋中壮观的水藻中见到，而呼吸作用不可见，无法被很好地理解。这是因为呼吸作用在不同的地方以不同的速率进行。海洋表面的呼吸作用相对较快，几分钟到几个月不等。小部分有机质潜入海底，在那里它们可保存千年之久。于是，随着时间的推移，大量的有机碳聚积在海底。其中一些嵌入沉积岩中，经历数百万年没有被分解。如今现代社会赖以生存的石油、煤、天然气等化石燃料都来自这一有机碳库。
在过去十亿年中，包括多个冰河时期在内，地球上的碳循环总体保持稳定。这意味着光合作用和呼吸作用之间保持动态平衡。不过，由于海底沉积物中蕴藏着比大气更多的碳——至少10倍以上，哪怕极微小的分解速率改变都会产生非常大的影响。碳循环改变，短时期内大量二氧化碳被释放到大气中， 引起气候变暖、海洋酸化等一系列改变，最终有可能导致大规模的生物灭绝。
（地球历史上曾发生的碳循环大事记，25亿年前的微生物光合作用给地球带来氧气，5.4亿年前大量动物在地球上出现。随后几次碳循环改变带来的则是物种大灭绝。）
（白垩纪-第三纪灭绝事件是地球历史上的一次大规模物种灭绝事件，发生于约6550万年前，灭绝了当时地球上的大部分动物与植物，包含非鸟类恐龙在内。大部分的科学家推测，这次灭绝事件并非由单一原因造成，而是多因素共同作用的结果。撞击事件或火山爆发将大量灰尘进入大气层中，遮辟了阳光，植物无法进行光合作用，进而对全球各地的生态系造成影响。不过也有少数科学家认为，大灭绝是缓慢发生的，是气候的改变将大部分物种逼上绝路。）
对恐龙灭绝的常规解释是陨石撞击说。白垩纪晚期，天外陨石撞击地球，尘埃遮天蔽日的情形可能持续了数年。类似的大灭绝也与广泛的火山活动有关。陆地和海底的火山爆发会对周边生物带来灭顶之灾。不过，科学家们的计算显示单纯的陨石撞击和火山爆发本身还不足以解释所观察到的变化——在陨石撞击和火山爆发之外，还有其他因素促成了碳循环的变化。
科学家认为，微生物呼吸作用速率加快肯定也有参与其中，致使深海沉积物固定的碳被快速释放。无论如何，显而易见的证据是，在全球历史上已有过因外界干扰或地球本身的不稳定性引发碳循环改变，进而从而对地球生物造成影响的先例。
（碳元素在自然界中流转，是动植物赖以生存的基础。）
其中一个例子是发生在约25亿年前的微生物光合作用兴起——将地球大气从令人窒息的无氧状态改造成适宜生物生存的稳定状态。这反过来为多细胞生物——包括我们人类——的出现提供条件。另一个例子是发生在二叠纪末期的灭绝，这是地球历史上最严重的灭绝事件之一，灭绝的起因是大气和海洋中碳的爆炸式增加。最近有一项研究报告将碳排放的激增归因于一种微生物机制的快速演化，这种机制将有机质转化为甲烷，后者是一种比二氧化碳威力更强的温室气体。无论在哪一种情况下，生命本身都导致——至少加速了——碳循环的破坏。其他大规模的灭绝也与碳循环的严重破坏有关，尽管特定的触发机制尚不清楚。但显而易见的是，微生物呼吸机制的微小变化可能带来相当大的全球影响。目前人类碳排放情况是否也可能引发这种变化，使得微生物加速海洋碳库向二氧化碳的排放？深入了解呼吸作用的机制——包括深海沉积的有机碳——对于评估下一次大灭绝的可能性至关重要。以下是科学家们对此提供的建议。
必要的研究必须着重于以下三个主要目标：
- 确定现代碳循环中控制缓慢呼吸作用的主要机制
- 查明过往大灭绝背后的机制
- 明确会导致不稳定和新平衡的条件或触发因素
对现代碳循环来说，海洋有机碳的状态需要重点关注。两个碳库至关重要：存在时间长达数千年的溶解有机碳，以存在时间长达数百万年的沉积有机碳。碳循环的稳定与否即由这些碳库保持稳定的期限及其分解速率的变更所决定。考虑到有机化合物的复杂程度，或者有机质如何紧密地嵌入沉积岩中，碳库的稳定性和分解速率实难测定。借助新的工具，科学家能够测量特定的酶如何与海水中的特定有机分子结合。科学家通过对照实验测量微生物、有机质和矿物质如何在沉积物中相互作用。除此之外，研究者还利用高分辨率量热仪在实验室和自然环境下测量有机质降解速率。
（图片显示海洋中叶绿素的浓度，红色越深，浓度越高。海面的数据可经由卫星测定，但深海或海底碳库的分解很难测量。图：NASA/Suomi NPP/Norman Kuring）
与前文中提到的主要灭绝事件不同，历史上也有许多碳循环的改变并没有对生命造成大范围的影响。其中原因是为何呢？不同时期沉寂的沉积岩记录了环境变化的迹象，不过地史学的解释也在不断改变。通过采用与建立现代混沌理论所用到数学技术相似的技术，我们期望能够明辨寻常变化与威胁性不稳定性之间的差别。在不稳定形成时，有机质的分子构成可能会发生重大变化，通过分析这些变化，我们期待能从中发现与地球碳循环不稳定相关的机制，特别是微生物生态系统快速演化的可能性。快速演化改变种群结构，改变呼吸速率，进而影响到生态系统中的所有组成部分，导致不稳定、中断和新稳定状态的出现。
（美国总统特朗普于6月1日宣布美国退出《巴黎协定》，理由是协定内容会损害美国经济。特朗普多次公开称气候变暖是骗局。）
核心的挑战是在这些新发现的基础上建立一个理论描述地球碳循环系统的不稳定性。将此前碳循环研究中发现的具体机制以及当下的碳循环现状与这一理论联系起来是一个关键目标。为实现这一点，需要将分子、基因组和微生物代谢信息转化为对进化反馈的理解，正是后者导致不稳定状态和大规模灭绝的产生。
总体而言，这项工作相当于对碳循环系统进行一次压力测试。我们对现代碳循环的研究将提供一个基础案例。碳循环动力学的理论模型为碳循环不稳定性的演化提供具体假说，随后研究者会使用过往发生的极端环境事件作为样本对假说进行测试。这一研究将为碳循环系统稳定性研究及其是否会导致第六次生物大灭绝提供明确的理解。
如何对地球碳循环进行压力测试？
这个雄心勃勃的项目需要进行多种技能、经验和理论的支持。纵观整个流程，其中包括实验室实验确定缓慢呼吸作用的微生物途径和分子机制，同时开发呼吸作用速率测量的新方法；随后通过田野研究收集自然样本并对假说进行测试；此外还需要在野外采集记录下见证碳循环演变历史的岩石样本。之后对搜集来的样本进行地球化学的分析。整个研究的结果将导致一种新的碳循环动力学理论被开发出来，人们可以使用它对不稳定风险进行定量测量。
（图为中国眉山的沉积岩。这些岩层形成的时间横跨二叠纪至三叠纪，记录了导致史前大灭绝的碳循环灾难，当时95%的物种从地球上消失。图：Shuzhong Shen）
为了完成这些任务，项目执行需要大量的资源。具体来说，对现代碳循环的研究将需要约15支团队进行室内实验和实地调查。对过往事件的分析需要另外15支团队进行采样和地球化学的分析。实践背后的理论和建模工作另需10支团队。以单个团队平均每年250万美元的研发经费计算，10年研究下来将耗费10亿美元。作为回报，人们获得了对碳循环动态变化的基本了解，地球和环境科学得到革新，有能力对长远的环境变化进行全面且客观的评估。这个范围的研究显然无法由单个政府支持，因而是具有远见的慈善家慷慨解囊的大好机会。
将研究团队将至半数，每个团队每年预算100万美元，一个为期五年的研究共需资金1亿美元。这样的努力也可能带来重要的新概念，但是时间和资金的限制会让研究的成果大打折扣。
本文来源：网易科学人
责任编辑：
郭浩_NT5629
