科学家破解隐藏在微小海洋石头中的数十亿年之谜

蛋形氧化铁石的横截面：它保存着数百万年前海洋中有机碳含量的信息，就像一个时间胶囊。图片来源：uux.cn/Nir Galili /苏黎世联邦理工学院

（神秘的地球uux.cn）据今日科学新闻：研究地球的历史就像试图拼凑一个大部分页面都丢失的故事。这颗行星已有超过 45 亿年的历史，当山脉上升和侵蚀，海洋前进和后退，岩石被板块构造回收时，过去世界的许多证据永远消失了。对于想要了解生命和气候如何演变的科学家来说，这带来了一个令人沮丧的挑战：最重要的事件往往被埋藏在很深的时间里，只留下零散的线索。

然而，大自然时不时地会带来一个惊喜——一个隐藏的档案，它设法保存了远古时代的低语。由苏黎世联邦理工学院地球科学家乔登·海明威教授领导的一个团队发现了一个这样的档案，其形式是微小的蛋形氧化铁石，称为 ooids。尽管它们看起来像沙粒一样普通，但这些微观球体揭示了一个关于 16.5 亿年前地球海洋状况的革命性新故事。

他们的发现不仅仅是改写教科书。它重塑了我们对碳如何在海洋中循环、氧气如何改变地球以及复杂生命最终如何出现的理解。

要了解这一发现的重要性，首先必须了解海洋在地球碳循环中所扮演的角色。海洋不仅仅是广阔的水体，它们还是活生生的、会呼吸的碳库，碳是所有生命的基石。

碳通过两种主要方式进入海洋。其中一些直接来自大气：二氧化碳溶解到海水中，被洋流向下输送，并可能被困在深海中数千年。但更大一部分来自生物体。微小的浮游植物和细菌利用阳光和溶解的二氧化碳来产生有机分子。当这些生物死亡时，它们的残骸会以“海洋雪”的形式向下漂流，这是一种缓慢的有机物雨，为深海的生命提供食物，如果它逃脱消耗，就会将碳锁在海底数百万年。

即便如此，并非所有碳都遵循这条掩埋路径。有些仍然以溶解有机碳 （DOC） 的形式溶解在海水中——一个在海洋中自由漂浮的巨大分子池。今天，这个水库的规模惊人：它所含的碳几乎是所有海洋生物总和的 200 倍。几十年来，科学家们一直认为地球的原始海洋含有更多的 DOC，提供了塑造气候和进化的原材料。

但 ooids 讲述了一个不同的故事。

乍一看，ooids似乎微不足道，与普通的沙子没有什么不同。但它们的形成使它们独一无二。当它们在洋流和海浪的推动下在海底滚动时，它们像小雪球一样一层一层地生长。在每一层中，环境的碎片——矿物质、化学痕迹，甚至有机分子——都被困在里面。

这意味着 ooids 不仅仅是沉积物颗粒。它们是时间胶囊，以惊人的保真度保存了古代海洋的化学指纹。

通过分析这些富含铁的层内结合的碳，海明威的团队能够直接测量海洋中溶解的有机碳量，其时间可以追溯到十亿多年前。与以前依赖间接假设的方法不同，这种方法提供了对地球消失已久的水域的罕见、直接的一瞥。

这一结果震惊了科学界。多年来，研究人员一直认为，在 1000 至 5.41 亿年前——导致复杂生命爆炸的时期——海洋一定充满了有机碳。这种信念有助于解释冰河时代发生的原因以及氧气如何在大气中积累。

但 ooids 却讲述了相反的故事。海明威的团队发现，海洋中的溶解有机碳实际上比今天少了 90% 到 99%。这个时代的海洋不是一碗巨大的富含碳的汤，而是出奇地稀薄。

这一发现推翻了几十年来的假设。如果海洋中的有机碳如此之少，那么关于地球如何经历剧烈的气候变化、氧气如何上升到现代水平以及多细胞生物如何出现的普遍解释可能不再成立。

要理解为什么这很重要，回到地球最伟大的转变之一：氧气的上升会有所帮助。早期地球的大气层含有很少的游离氧。生命由微生物主导，没有它也能茁壮成长。但随着光合作用的进化，生物体开始释放氧气作为副产品。在数十亿年的时间里，这慢慢改变了一切。

地球经历了两次巨大的氧气激增，通常被称为“氧气灾难”，因为它们对厌氧生物具有毁灭性。第一次发生在大约 24 亿年前，改变了大气层，为更复杂的新陈代谢奠定了基础。第二个是在 600 至 5.41 亿年前，恰逢动物的兴起和我们认为真正现代的生态系统的出现。

科学家们长期以来一直认为，在这些氧气激增之间的间隔期间，海洋储存了大量溶解的有机碳。这个巨大的水库将调节氧气、气候和养分循环。但海明威的研究结果表明，海洋碳储存量比想象的要小得多，这迫使科学家们重新思考氧合、冰河时代和复杂生命起源之间的联系。

如果海洋不富含碳，那么是什么解释了这种差异呢？海明威的团队认为生物学本身起到了决定性的作用。

随着单细胞生物让位于更大、更复杂的形式，“海洋雪”的动态发生了变化。较大的生物下沉得更快，将富含碳的身体更快地带到海底。在缺氧的深海中，分解速度减慢，阻止了大部分碳循环回溶解的池中。相反，它被埋在沉积物中。

这种快速下沉有效地排干了海洋中溶解的有机碳库。只有后来，当深海中的氧气含量上升时，回收才能重新开始，使 DOC 能够再次增长到现代体积。

我们为什么要关心五十亿多年前存在的海洋？因为地球的历史不仅仅是过去的故事，更是我们未来的指南。

今天，人类活动正在破坏塑造古代海洋的碳和氧的微妙平衡。燃烧化石燃料正在使地球变暖，而污染和气温上升正在降低现代海洋的氧气含量。一些地区已经出现了“死区”，氧气含量过低而无法维持生命。

如果氧气枯竭蔓延，可能会改变碳在海洋中的储存方式——这可能与海明威团队在深层时期发现的过程相呼应。通过了解海洋曾经如何应对全球变化，科学家可以更好地预测它在未来几个世纪可能再次做出反应。

隐藏在微小的 ooids 中的发现不仅仅是一项技术突破。它提醒人们，地球本身承载着记忆——分层在岩石中，埋在沉积物中，被锁在微小的石粒中。通过学习阅读这些记忆，科学家可以挑战长期存在的假设并改写我们星球的故事。

几十年来，我们一直认为十亿年前的海洋是生命基石的巨大仓库。现在我们知道它们要脆弱得多，碳储量少得惊人。这一启示迫使我们重新想象生命是如何在地球历史上最具变革性的篇章之一中生存、适应并最终繁衍生息的。

当我们展望未来时，它给我们留下了一个发人深省的事实：地球的海洋并不是永恒的常数。它们是动态系统，容易受到破坏，但也以我们才刚刚开始理解的方式具有弹性。过去教会了我们在自己未来的不确定水域中航行时的谦逊和紧迫感。

更多信息：Nir Galili 等人，海洋氧化铁溶解有机碳的地质历史，自然 （2025）。DOI：10.1038/s41586-025-09383-3