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。
Kast 团队首次将该方法用到百万年尺度的氮循环研究，对太平洋、北大西洋和南大西洋 3 个钻孔 70—25 百万年前（Ma）的浮游有孔虫的氮同位素进行了分析，建立了这一时期较高分辨率的氮同位素组成的变化特征：古新世（~56—65 Ma）较为稳定的高值阶段，始新世早期（~56—50 Ma）的快速下降阶段，始新世中—晚期（~50—34 Ma）的低值阶段以及渐新世早期的逐渐升高阶段。
有孔虫壳体的氮同位素组成（FB—δ15N）主要受控于反硝化（将硝酸盐还原成氮气）过程所发生的位置及通量。“当反硝化作用发生在缺氧的水柱中时，其同位素效应能够很好表现出来，使得残余的硝酸盐富集15N，而当反硝化发生在沉积物中时，由于该过程比较彻底，反硝化作用会消耗水体的生物可利用氮，但对水体的氮同位素组成没有影响。”罗根明说。
结合大地构造背景、不同水层温度变化特征及两极冰盖的演化，Kast 等人对上述氮同位素组成的变化进行了探讨。罗根明提到，古新世高的 FB—δ15N与当时高海水温度相一致，可能与高温所引起的海洋中层低含氧带的扩张有关，后者使得反硝化作用加强。相对应的，始新世中—晚期以来的低 FB—δ15N值与低的温度相对应，说明这时期海洋中层水缺氧程度和水体反硝化作用减弱。
隐藏的“凶手”
当研究人员收集了前所未有的海洋氮地质记录后，他们发现在恐龙灭绝后的 1000 万年里，15N/14N的比例很高，这表明海洋的氧气水平很低。起初，他们认为这是当时温暖的气候造成的，因为氧气在温暖的水中不容易溶解。但时间却告诉人们另一个故事：海洋氧气含量的增加发生在 5500 万年前，当时气候持续变暖。
“与我们最初的预期相反，全球气候并不是海洋氧氮循环变化的主要原因。”Kast 说。更有可能的罪魁祸首是谁？板块构造。
印度与亚洲的碰撞——被现代气候研究创始人之一、地球科学家 Wally Broecker 称为“改变世界的碰撞”——封闭了古特提斯海，扰乱了大陆架及其与公海的联系。
研究人员推测，由于特提斯洋的关闭，终止了特提斯洋高温、高盐及低氧的水体进入大西洋，进而减弱了水体的反硝化作用。同样，渐新世以来的 FB-δ1515N 升高可能也受到了冰盖扩张的影响。
“冰盖扩张使得陆架水域面积减小，进而降低了沉积物中的反硝化作用，减缓了固氮微生物补充的氮量（具有低的氮同位素组成）。”罗根明说。
罗根明还提到，这篇文章构建了基于有孔虫壳体的长时间尺度的氮同位素变化特征，并探讨了氮循环与气候和大地构造背景的内在联系，为理解当前全球变暖背景下氮循环波动及其对气候的反馈机制有重要的参考价值，论文对后者的讨论较为不足。此外，对于一些细节问题，如特提斯洋的关闭为何对太平洋的影响更为明显，以及区域性固氮微生物的活动对氮同位素组成的影响，也值得更进一步讨论。
“论文提出了很多问题，未来有无数工作等着我们。例如，我们想做一些更严格的气候和海洋模型，了解海洋环流变化的可能性及其对海洋氮和氧的影响。”Kast 说。
相关论文信息：DOI:10.1126/science.aau5784