“改变世界的碰撞”究竟改了啥

几千万年前，大陆和海洋都不一样了。资料来源:艾玛·卡斯特

现在，印度次大陆在5000万年前袭击了亚洲，改变了该大陆的结构、地形和全球气候。现在，普林斯顿大学研究小组发现了另一个效应:世界海洋中氧气的增加已经改变了生活条件。

地球科学研究生艾玛·卡斯特是最近在《科学》杂志上发表的一篇相关论文的第一作者。“这些结果不同于人们以前看到的任何结果。我们对影响变化的幅度感到惊讶。”卡斯特说。

卡斯特利用微小的贝壳创造了海洋氮的记录，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、该论文作者之一约翰·希金司表示，该记录对全球气候研究做出了巨大贡献。

“海洋生物可利用的氮量是影响海洋生产力的一个重要因素，氮的生物地球化学循环将产生大量温室气体。因此，氮循环的波动对全球气候变化具有重要影响，是当前全球变化研究中的重要科学问题之一。了解氮循环对于了解全球变暖背景下氮循环的变化和发展趋势具有重要意义中国地质大学(武汉)副教授罗根明告诉《中国科学日报》。

从氮气开始

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."该论文的资深作者、普林斯顿大学教授丹尼尔·西格曼说。

地球上的每种生物都需要“固定的”氮——有时被称为“生物可利用的氮”但是很少有生物能够通过将这种气体转化成对生物有用的形式来“修复”它。然而，在海洋中，地表水中的蓝藻可以为所有其他海洋生物固定氮。随着蓝细菌和其他生物死亡和下沉，它们会分解。

但是很长一段时间，人们对几百万年来海洋氮循环的变化知之甚少。“我们对数百万年来的变化知之甚少，因为我们对如此长时间尺度的氮循环的记录有限。特别是新生代早期，氮同位素记录很少，没有明显的规律。此外，以前的记录使用了“氮的大量沉积”，换句话说，就是海洋沉积物样品中的所有氮。然而，原始氮同位素信号的保存是有问题的。”卡斯特在接受《中国科学》采访时说。

氮有两种稳定的同位素，15N和14N。在缺氧的水中，分解消耗“固定”氮。然而，人们稍微偏爱较轻的14N，所以海洋中15N/14N的比率反映了它的含氧量。

这一比例可以通过一种叫做有孔虫的微小生物反映出来，这种生物死后会被保存在壳里。通过分析化石，卡斯特和他的同事能够重建古代海洋中15N/14N的比率，以确定海洋含氧量的变化。

氮同位素的主要研究对象是沉积物中的总有机质，这是一种混合信号，更容易受到后期成岩作用和样品处理的污染洛根说，“普林斯顿大学的西格曼研究小组一直在开发和使用有孔虫壳作为氮同位素研究的重要载体，并取得了许多成果。”

臭虫的“记录”

卡斯特的主要研究对象是有孔虫，这些小型单细胞动物已经记录了几百万年的海洋历史。

中国科学院水生生物研究所的王海军告诉《中国科学杂志》，有孔虫是一种海洋原生动物，其外壳被细胞质包裹。由于有孔虫化石在不同的地质时期保存完好，贝壳使得它们的同位素在埋藏后不易受到外来元素的污染，因此它们经常被用来指示古环境的变化。

Kast的团队首次将这一方法应用于百万年尺度的氮循环研究，分析了太平洋、北大西洋和南大西洋三个钻孔中7000-2500万年前浮游有孔虫(Ma)的氮同位素，建立了这一时期高分辨率氮同位素组成的变化特征:古新世相对稳定的高值期(~ 56-65 ma)、始新世早期快速下降期(~ 56-50 ma)、始新世中晚期低值期(~ 50-50ma)

有孔虫壳的氮同位素组成？啄15N)主要受反硝化作用(硝酸盐还原成氮)的位置和流量控制。“缺氧水柱发生反硝化时，其同位素效应可以很好地显示出来，使残留的硝酸盐富集15N。然而，当沉积物中发生反硝化作用时，反硝化作用消耗水体中的生物有效氮，但由于过程比较彻底，对水体的氮同位素组成没有影响。”洛根说。

Kast等人根据大地构造背景、不同水层的温度变化特征和极地冰盖的演变，讨论了上述氮同位素组成的变化。罗根明提到了那个？佩克15N与当时海水温度较高相一致，这可能与高温引起的海洋中部低氧区的扩大有关，从而增强了反硝化作用。相应地，低FB-？佩克15N值对应于低温，这表明在此期间中海水的缺氧程度和水体的反硝化作用减弱。

隐藏的“黑仔”

当研究人员收集到前所未有的海洋氮的地质记录时，他们发现在恐龙灭绝后的1000万年中，15N/14N的比率非常高，这表明海洋中的含氧量非常低。起初，他们认为这是由当时温暖的气候造成的，因为氧气不容易溶解在温水中。然而，时间告诉人们另一个故事:海洋含氧量的增加发生在5500万年前，当时气候持续变暖。

“与我们最初的预期相反，全球气候不是海洋氧和氮循环变化的主要原因。”卡斯特说。谁更有可能是罪魁祸首？板块构造。

现代气候研究的创始人之一、地球科学家沃利·布勒克尔(Wally Broecker)称印度和亚洲之间的碰撞为“改变世界的碰撞”，关闭了古铁雷斯海，并破坏了大陆架及其与公海的联系。

研究人员推测，特提斯的关闭阻止了特提斯的高温、高盐和低氧水进入大西洋，从而削弱了水的反硝化作用。同样，FB-？佩克15N的增加也可能受到冰盖扩张的影响。

“冰盖的扩大减少了大陆架水域的面积，从而减少了沉积物中的反硝化作用，减缓了固氮微生物补充的氮(氮同位素组成低)的数量。”洛根说。

罗根明还提到，本文建立了基于有孔虫壳的氮同位素长期变化特征，讨论了氮循环与气候和大地构造背景的内在联系。为了了解当前全球变暖背景下氮循环的波动及其对气候的反馈机制，对后者的讨论相对不足。此外，特提斯洋的关闭为何对太平洋产生更明显的影响以及区域性固氮微生物的活动对氮同位素组成的影响等一些具体问题也值得进一步讨论。

“这份报纸提出了许多问题，未来还有无数的工作等着我们。例如，我们想做一些更严格的气候和海洋模型，以了解海洋环流变化的可能性及其对海洋氮和氧的影响。”卡斯特说。