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在遠(yuǎn)古時(shí)期，海洋里的生物泵和微型生物碳泵是如何耦合起來(lái)對(duì)宜居地球形成作貢獻(xiàn)的，有哪些重大科學(xué)難題值得中國(guó)學(xué)者去突破以形成“中國(guó)學(xué)派”？

包括生物泵（BP）和微型生物碳泵（MCP）在內(nèi)的海洋生物碳泵，是海洋生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)碳循環(huán)調(diào)節(jié)地球環(huán)境變化的關(guān)鍵途徑之一，對(duì)宜居地球起到增氧、減碳和降溫等方面的作用。深入了解海洋生物碳泵的地質(zhì)演化過(guò)程不僅為認(rèn)識(shí)宜居地球的形成機(jī)制打開了一個(gè)“時(shí)空隧道”，而且在氣候變化趨勢(shì)嚴(yán)峻的當(dāng)下，這條“隧道”可望通向碳中和策略的出口。

在地球歷史上，生物經(jīng)歷了從原核生物到藻類再到多細(xì)胞動(dòng)物的演化，生態(tài)系統(tǒng)也經(jīng)歷了從扁平到立體的大革新。生物圈的這些變化導(dǎo)致海洋生物碳泵出現(xiàn)階段性的演化，并使地球變得更宜居。總體來(lái)說(shuō)，人們對(duì)地質(zhì)時(shí)期海洋生物碳泵了解得很少，基本是粗線條的框架性認(rèn)識(shí)，甚至還存在很大爭(zhēng)議，也難以回答古海洋生物碳泵與古氣候之間的成因聯(lián)系和定量關(guān)系。我國(guó)具備很好的地質(zhì)材料優(yōu)勢(shì)和人才隊(duì)伍優(yōu)勢(shì)來(lái)突破這些涉及地球系統(tǒng)之間復(fù)雜相互作用的重大挑戰(zhàn)性難題，以盡早在海洋生物碳泵領(lǐng)域形成“中國(guó)學(xué)派”。

太古宙的海洋環(huán)境總體以缺氧為主，初級(jí)生產(chǎn)者以較難沉降的原核微生物為主，這樣的生物和環(huán)境大背景條件在地質(zhì)歷史上是絕無(wú)僅有的。那么在這種長(zhǎng)期缺氧環(huán)境下，是更有利于原核微生物的BP過(guò)程埋藏有機(jī)碳，還是更有利于微生物把POC（顆粒有機(jī)碳）轉(zhuǎn)化為RDOC（惰性溶解有機(jī)碳）而儲(chǔ)存在海水里的MCP過(guò)程？太古宙海洋生物碳泵對(duì)大氣CO2的調(diào)節(jié)能力到底有多強(qiáng)？

元古宙海洋生物碳泵作用的一個(gè)最重要特征是受到兩次大氧化事件的影響，并分別導(dǎo)致了藻類和多細(xì)胞動(dòng)物的出現(xiàn)。這與太古宙總體缺氧環(huán)境及其相伴的生態(tài)系統(tǒng)明顯不同。那么這兩次大氧化事件及其導(dǎo)致的海洋生態(tài)系統(tǒng)變化是如何影響海洋生物碳泵的？大家已經(jīng)熟知的新元古代晚期DOC（溶解有機(jī)碳）庫(kù)到底有多大，它記錄了怎樣的海-氣-生之間的相互作用？

在顯生宙，多細(xì)胞動(dòng)物在寒武紀(jì)出現(xiàn)大爆發(fā)，植物也隨后登上陸地而形成繁盛的陸地生態(tài)系統(tǒng)。一個(gè)如此完整而發(fā)達(dá)的海、陸立體生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)在古生代構(gòu)建起來(lái)，那么這個(gè)古生代生態(tài)系統(tǒng)是如何通過(guò)影響海洋的BP和MCP進(jìn)而影響重大氣候環(huán)境事件的？特別是，BP和MCP過(guò)程對(duì)晚奧陶世和石炭紀(jì)-二疊紀(jì)的兩大冰期有著怎樣的影響？

中生代-新生代生態(tài)系統(tǒng)是在二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交最大規(guī)模的動(dòng)植物大滅絕之后發(fā)展起來(lái)的，初級(jí)生產(chǎn)者和動(dòng)物群都發(fā)生了大變革，包括綠藻類被“紅枝藻類”替代，以非移動(dòng)型為主的古生代動(dòng)物群被以浮游和游泳為主的現(xiàn)代動(dòng)物群替代。如果說(shuō)古生代的海洋生物碳泵可能直接或者間接地對(duì)兩大冰期事件產(chǎn)生重要影響的話，那么中生代-新生代生態(tài)系統(tǒng)又是如何通過(guò)BP和MCP途徑對(duì)古氣候產(chǎn)生影響的？特別是，當(dāng)時(shí)海洋的BP和MCP過(guò)程是否影響了早三疊世、白堊紀(jì)、古新世-始新世之交等這些關(guān)鍵時(shí)期的極端溫暖氣候？它們是否還對(duì)新生代冰期-間冰期旋回的古氣候變化作出重要貢獻(xiàn)呢？

圖1  顯生宙動(dòng)物多樣性、海洋生態(tài)系統(tǒng)、無(wú)機(jī)碳同位素組成(δ13C, ‰)的變化幅度、深海碳酸鹽沉積比例、有機(jī)埋藏分?jǐn)?shù)Forg、全球碳埋藏量以及大氣CO2含量(相對(duì)于工業(yè)革命前的比值)的變化. 在古生代-中生代之交(251.9 Ma)出現(xiàn)了最大規(guī)模的動(dòng)物大滅絕, 隨后綠藻類向紅枝藻類(顆石藻、甲藻、硅藻)轉(zhuǎn)變, 紅枝藻類能將碳向深海傳輸, 增強(qiáng)了對(duì)碳循環(huán)的緩沖能力, 碳同位素組成變化趨于平緩. 海洋生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的綠色生物體代表綠藻類, 紅色生物體代表紅枝藻系列, 黑色區(qū)域代表缺氧環(huán)境, 藍(lán)色代表氧化環(huán)境. 圖中曲線的文獻(xiàn)來(lái)源請(qǐng)參閱原文

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原文信息

謝樹成, 焦念志, 羅根明, 李東東, 汪品先. 海洋生物碳泵的地質(zhì)演化: 微生物的碳匯作用. 科學(xué)通報(bào), 2022, 67: 1715-1726