研究：在突然的史前全球变暖之前 地球海洋受到压力

在美国西北大学科学家的领导下，研究人员分析了有孔虫的外壳，这是一种居住在海洋中的单细胞生物，其外部外壳由碳酸钙构成。在分析了化石的钙同位素组成后，研究人员得出结论，大规模的火山活动将大量的二氧化碳注入地球系统，导致全球变暖和海洋酸化。

他们还发现，全球变暖和海洋酸化并不只是被动地影响有孔虫。这些生物也积极地做出反应，在建造它们的外壳时降低了钙化率。随着钙化速度的减慢，有孔虫从海水中消耗的碱度减少，这有助于缓冲海洋酸度的增加。

“碳酸钙的形成和溶解有助于调节海水的酸度和碱度，”西北大学的Andrew Jacobson说，他是这项研究的资深作者。“我们的钙同位素数据表明，在PETM之前和整个PETM期间，有孔虫的钙化减少起到了抑制海洋酸化的作用。”

“这在该领域是一个相当新的概念，”该研究的第一作者Gabriella Kitch补充说。“以前，人们认为只有海底碳酸盐的溶解才能增加海洋的碱度，缓冲海洋酸化的影响。但是我们正在对现有的研究进行补充，表明碳酸盐的生产减少也有同样的缓冲作用。”

这项研究最近发表在《地质学》杂志上。这是第一个研究有孔虫的钙同位素组成来重建PETM之前和整个PETM的条件，也是西北大学最近的第三个研究发现海洋酸化–由于火山的二氧化碳排放–在主要的史前环境灾难之前，如大规模灭绝、海洋缺氧事件和全球强烈变暖时期。

Jacobson是西北大学温伯格文理学院的地球和行星科学教授。Kitch是Jacobson实验室的博士生和国家科学基金会的研究生研究员。西北大学地球科学教授Bradley Sageman和Matthew Hurtgen，以及来自加州大学圣克鲁兹分校（UCSC）和堪萨斯大学的合作者，与Jacobson和Kitch共同撰写了该论文。

为了研究PETM期间的海洋条件，研究人员检查了大洋钻探计划从两个地点–一个在东南大西洋，一个在太平洋–收集的有孔虫化石的钙同位素组成。

由于每个化石的壳只有一粒沙子大小，加州大学旧金山分校的研究人员通过物理方式收集这些微小的标本，首先在显微镜下识别它们。在将壳从散装沉积物中分拣出来后，西北大学的团队将样品溶解，并使用热电离质谱仪分析其钙同位素组成。

“这项工作非常具有挑战性，” Jacobson说。“为了操纵这些微小的材料，你必须在显微镜下用湿的画笔尖一个一个地把它们捡起来。”

当这些壳在5600多万年前形成时，它们对海洋条件做出了反应。通过检查这些壳，西北大学的研究小组发现，在PETM开始之前，钙的同位素比率有所增加。

“我们正在研究一组生物，它们在海洋的一个部分建造它们的外壳，记录它们周围的海水化学成分，”Kitch说。“我们认为钙同位素数据揭示了众所周知的边界之前的潜在压力。”

其他档案表明，大气-海洋系统在PETM之前立即经历了一次大规模的二氧化碳释放。当大气中的二氧化碳溶解在海水中时，它会形成一种弱酸，可以抑制碳酸钙的形成。尽管目前仍未确定，但地球科学家认为，碳的释放很可能来自火山活动或级联效应，如海洋变暖导致的海底甲烷水合物的释放。

“我的怀疑是，它是这两个因素或某种组合，”Sageman说。“地球历史上的大多数大事件都代表了许多行为者在同一时间的汇合。”

这是由Jacobson领导的第三项研究，发现海洋酸化在重大环境灾难之前，与大型火成岩省的爆发相关。上个月， Jacobson的团队发表了发现火山活动在1.2亿年前发生的海洋缺氧事件之前引发了生物钙化危机的结果。就在一年多以前， Jacobson的团队发表了另一项研究，发现海洋酸化发生在小行星撞击之前，导致了6600万年前白垩纪-古近纪灭绝事件，其中包括恐龙的灭绝。

在所有这三项研究中， Jacobson的团队在他的实验室中使用了复杂的工具来分析碳酸钙化石和沉积物的钙同位素组成。 Jacobson说，一个清晰的模式正在出现。二氧化碳的流入导致了全球变暖和海洋酸化，并最终导致了大规模的环境变化。

Jacobson表示：“在我们所有的研究中，我们一直看到在重大事件或灭绝地平线发生之前，钙同位素比率的增加。这似乎指出了类似的驱动力和共同的反应。”

"也许钙同位素系统对这些事件的最早阶段具有敏感性，"Sageman补充说。

未来海洋压力的预测者

许多研究人员研究PETM是因为它为当今人类造成的全球变暖提供了最好的模拟。PETM期间的碳涌入与过去两个世纪的碳释放量相似。然而，时间尺度有很大不同。PETM期间的温度在17万年内增加了5至8摄氏度。随着人类造成的气候变化，如果二氧化碳排放不减，预计同样水平的变暖将在不到200年内发生。

此外，陆地和海洋的压力，包括有孔虫类钙化的大幅减少，伴随着PETM。 Jacobson说：“PETM是一个模型，说明在主要的大型碳循环扰动期间会发生什么。对地球未来气候的许多预测都依赖于对PETM期间所发生的事情的理解。”