研究：4亿年前陆地植物的到来改变了地球的气候控制体系

在《自然》杂志上发表的一项新研究中，研究人员观察了横跨过去30亿年的岩石样本，发现有证据表明，大约4亿年前，当植物开始在陆地上出现时，这个循环的运作方式发生了巨大的变化。具体来说，研究人员注意到岩石中记录的海水化学成分的变化，这表明全球粘土–“粘土矿物工厂”的形成发生了重大转变，从海洋转向陆地。

由于粘土在海洋中的形成（逆向风化）导致二氧化碳被释放到大气中，而陆地上的粘土是化学风化的副产品，可以去除空气中的二氧化碳，这就减少了大气中的碳含量，导致了一个更冷的星球和一个“跷跷板”气候，冰期和暖期交替出现。

研究人员认为，这种转换是由于陆地植物的传播使土壤和粘土留在陆地上，阻止了碳被冲入海洋，以及使用硅作为其骨架和细胞壁的海洋生物的增长，如海绵、单细胞藻类和放射虫（一组原生动物），导致粘土形成所需的海水中的硅减少。

高级作者Philip Pogge von Strandmann博士（UCL地球科学）说。"我们的研究表明，在地球历史上的大部分时间里，碳循环的运作方式与今天相比有根本的不同。

“这种转变是在4亿到5亿年前逐渐发生的，似乎与当时的两大生物创新有关：植物在陆地上的传播和海洋生物的生长，这些生物从水中提取硅来制造它们的骨架和细胞壁。”

“在这一变化之前，大气中的二氧化碳仍然很高，导致了一个稳定的温室气候。从那时起，我们的气候就在冰期和暖期之间来回跳动。这种变化促进了进化，在这一时期，复杂生命的进化加速了，陆地动物首次形成。碳含量较少的大气层对变化也更加敏感，允许人类通过燃烧化石燃料更容易影响气候。”

研究第一作者、耶鲁大学的博士生Boriana Kalderon-Asael说：“通过测量横跨地球大部分历史的岩石中的锂同位素，我们旨在调查在一个大的时间尺度上，碳循环的运作是否有任何变化。我们发现它发生了变化，而且这种变化似乎与陆地上的植物生命和海洋中使用硅的动物生命的增长有关。”

在这项研究中，研究人员测量了从世界各地许多不同地点采集的600个岩石样本中的锂同位素。锂有两种自然发生的稳定同位素–一种有三个质子和三个中子，另一种有三个质子和四个中子。

当粘土在陆地上慢慢形成时，它强烈倾向于锂-6，使周围的水富含另一种更重的同位素–锂-7。研究人员使用质谱仪分析他们的样本，发现在4亿至5亿年前，岩石中记录的海水中锂同位素-7的水平上升，这表明地球的粘土生产发生了重大转变，与植物在陆地上的传播和使用硅的海洋生物的出现相一致。

粘土作为化学风化的残留物在陆地上形成，化学风化是将二氧化碳从大气中移除的主要长期过程。这发生在大气中的碳与水结合，形成一种弱酸，即碳酸，它以雨的形式落在地上，溶解岩石，释放出包括钙离子在内的离子，流入海洋。最终，这些碳被锁在海底的岩石中。相比之下，植物的光合作用所产生的碳减少，一旦植物腐烂，就会被否定，并且很少在超过几百年的时间范围内影响二氧化碳水平。

当粘土在海洋中形成时，碳留在水中，并最终释放到空气中，作为空气与水相遇时发生的碳持续交换的一部分。