科学家研究板块构造变化对海洋含氧量影响

“改变世界的碰撞”究竟改了啥  
科学家研究板块构造变化对海洋含氧量影响  
 

千万年前，无论大陆还是海洋都与现在不同。图片来源：Emma Kast

■本报记者 唐凤

现在的印度次大陆在5000万年前撞击亚洲，改变了大陆的结构、地貌和全球气候等。现在，美国普林斯顿大学研究团队发现了另一个效应：世界海洋中的氧气增多，改变了生命生存的条件。

该校地球科学研究生Emma Kast是近日发表在《科学》上的相关论文的第一作者。“这些结果与人们之前所见的任何结果都不同，碰撞改变之大让我们感到意外。”Kast说。

Kast用显微镜下的贝壳创造了一个海洋氮记录，时间跨度从7000万年前——恐龙灭绝前不久——到3000万年前。普林斯顿大学地球科学副教授、论文作者之一John Higgins说，这一记录对全球气候研究作出了巨大贡献。

“海洋生物可利用氮的多寡是影响海洋生产力的重要因素，且氮的生物地球化学循环会产生大量温室效应气体。因而，氮循环的波动对全球气候变化有着重要影响，是当前全球变化研究的重要科学问题之一。认识氮循环对理解当前全球气候变暖背景下氮循环变化及发展趋势有重大意义。”中国地质大学（武汉）副教授罗根明告诉《中国科学报》。

从氮开始

氮不仅是大气中最丰富的气体，也是地球上所有生命的关键。“我研究氮是为了帮助研究全球环境。”普林斯顿大学教授、论文资深作者Daniel Sigman说。

地球上的每一种生物都需要“固定”氮——有时也被称为“生物可利用氮”。但很少有生物体能通过将这种气体转化为一种对生物有用的形式来“固定”它。不过，在海洋中，表层水中的蓝藻能为所有其他海洋生物固定氮。随着蓝细菌和其他生物的死亡和下沉，它们会分解。

但一直以来，人们对海洋氮循环的百万年变化知之甚少。“我们对百万年的变化知之甚少，因为我们在这么长的时间尺度上对氮循环的记录有限。特别是在新生代早期，氮同位素记录非常少，并且没有明显的规律。此外，之前的记录都是用‘大块沉积氮’，换句话说，就是海洋沉积物样本中所有的氮。然而，其中保存原始的氮同位素信号是值得怀疑的。”Kast在接受《中国科学报》采访时说。

而氮有两个稳定的同位素，15N和14N。在缺氧水域，分解会消耗“固定”氮。但对较轻的14N有轻微偏好，所以海洋的15N/14N比值反映了其氧气水平。

这一比例能被一种称为有孔虫的微小生物所体现，它们死后将其保存在壳中。通过分析化石，Kast和同事能够重建古代海洋的15N/14N比值，从而确定海洋氧气水平的变化。

“氮同位素的主要研究对象是沉积物中的总体有机质，是一个混合的信号，其较容易受到后期成岩和样品处理的污染。”罗根明说，“普林斯顿大学的Sigman课题组一直在开发利用有孔虫壳体作为氮同位素研究的重要载体，并取得了大量成果。”

小虫子的“史记”

Kast的主要研究对象是有孔虫，这些小小的单细胞动物记录了海洋百万年的历史。

中科院水生生物研究所王海军告诉《中国科学报》，有孔虫是一种具壳的海洋原生动物，壳体包裹着细胞质团。由于有孔虫化石在各个地质时期保存较好，壳体使得有孔虫在埋藏之后其同位素不太容易受外源元素的污染，因此常用于指示古环境变化。