于5600万年前的古新世-始新世极热事务（PETM）中，地球履历了猛烈变暖与海洋酸化。这一与今世天气变化高度相似的“远古试验”，一直是科学界关注的焦点，然而其暗地里的碳轮回机制却始终未解。如今，我国科研职员于解决这一难题方面向前推进了一年夜步。 9月25日，《天然-地球科学》（Nature Geoscience）于线发表了中国科学院广州地球化学研究所研究员张一歌团队同相助者的最新研究结果。他们发现，海洋硫酸盐浓度变化如同一个节制全世界天气的“化学开关”，直接调控甲烷氧化路径，导致北极海洋从碳汇逆转为碳源。 “该研究不仅解决了PETM碳轮回机制的科学难题，更主要的是为pp电子首页-理解现代北极快速变化提供了汗青参照。”论文通信作者张一歌对于《中国科学报》体现，随着北极海洋连续变温和淡化，近似的甲烷氧化机制改变可能重现，这对于推测未来天气变化具备主要预警意义。 ? 甲烷氧化路径的“分水岭” 甲烷是仅次在二氧化碳的第二年夜温室气体，多以水合物“可燃冰”的情势蕴藏于海底。以往人们担忧其年夜规模、快速开释会加重全世界变暖，最近几年研究发现，绝年夜部门海底开释的甲烷会快速消融并被微生物“消化”，但消化方式差异，孕育发生的影响也截然差异。 于现代海洋中，约90%的甲烷会被沉积物中的微生物于无氧前提下使用。这一历程就像一个“慢燃发电厂”，以硫酸盐作为“燃料”，高效转化甲烷能源，同时孕育发生碱性物资，减缓海洋酸化。然而于PETM期间，北极海水硫酸盐浓度不到现代的三分之一。 “硫酸盐严峻不足，就像燃料欠缺同样，‘发电厂’没法正常事情，甲烷只能进入海水。”张一歌注释道，“这时候，另外一类喜欢氧气的细菌最先‘快速燃烧’甲烷，它们直接消耗氧气，开释二氧化碳，犹如高温燃烧开释年夜量废气。” “海底甲烷开释一直于举行，但绝年夜多数被微生物的厌氧氧化历程消耗。”张一歌意想到，要害也许不于在某些特殊缘故原由致使巨量海底甲烷的突然开释，而于在甲烷被怎样处置处罚：厌氧氧化孕育发生碱性物资减缓酸化，而好氧氧化直接孕育发生二氧化碳加重变温和酸化。 “我于美国学习、事情、生活17年后，在2024回国加入中国科学院广州地球化学研究所。于美国读博时期，我就关注到这一问题，2011年另有写成为了课程论文，但其时缺少实证撑持。”张一歌说：“如果能找到PETM或者其他地质汗青上甲烷泛起以和被氧化的实证，极可能就来自这些‘份子化石’。” PETM事务与当前天气变化有颇多相似的地方，是古天气研究的热门。30年来，科学界对于其年夜量碳来历说法纷歧，经典假说缺少确实证据。为此，张一歌团队结合美国德州农工年夜学、夏威夷年夜学及北京年夜学等科研职员组成攻关团队，用时近5年，致力在从古老沉积物中寻觅甲烷相干份子痕迹。 “于研究中，咱们初次发现了5600万年前PETM超强变暖事务暗地里的全新机制。”张一歌先容，要害于在甲烷于海洋中的氧化方式发生了根个性改变，这致使北极海洋从碳汇变为碳源，引发海水酸化，为新生代最显著的短时间暖化、酸化事务提供了全新的机制注释。 远古微生物的“身份证” “该研究最年夜的困难是从古老沉积物中寻觅甲烷相干的份子痕迹，如同年夜海捞针。”张一歌引导的博士生、论文第一作者Bumsoo Kim（金泛寿）说。 据先容，海底甲烷重要经由历程两种方式被微生物消耗：缺氧沉积物中古菌及细菌相助厌氧氧化，以硫酸盐为氧化剂；富氧水体中细菌好氧氧化。差异微生物代谢孕育发生特有脂类份子，成为“份子化石”，这让研究职员可以或许辨认数万万年前起作用的微生物类型。 ? “咱们不成能找到任何一个事务一个所在的沉积物样品就去做生标，指望能有所发现。”Bumsoo Kim说。幸运的是，张一歌团队意想到了前人报导的数据的主要性，开发了从已经发表生物标志物数据中挖掘新思绪的年夜数据要领，构建了响应的数据库，并发表了一系列相干研究作为技术贮备。 海水硫酸盐浓度颇有多是节制甲烷氧化方式的要害因素。当PETM时期北极海水硫酸盐浓度降至现代水平的1/3时，甲烷没法于沉积物中被和时厌氧氧化，转而于水体中举行好氧氧化，使北极海洋从碳汇改变为碳源。 “咱们的发现有一定的偶尔性。”张一歌先容，荷兰科学家Schouten即是2007年对于PETM时期北极沉积物的研究中就报导了hop-17(21)-ene这类份子化石的泛起，但他们没有深切切磋其意义。“咱们读到这篇文章之后，立即申请样品举行重新分析。” 研究团队不仅确认了该生物标志物的存于，另有经由历程单份子同位素技术证明了其与甲烷氧化的联系关系。研究证明，PETM时期北极海洋确凿发生了甲烷氧化方式的基础改变，从以厌氧氧化为主转向好氧氧化占主导，这为理解PETM碳轮回机制提供了直接证据。 “咱们的立异于在将份子化石、同位素地球化学及数值模仿相联合，建设了从份子尺度到全世界碳轮回的完备证据链。”张一歌对于《中国科学报》体现。 他们经由历程检测化合物hop-17(21)-ene和其碳同位素组成，乐成“回复再起”了5600万年前的甲烷氧化历程。这些份子痕迹犹如古代细菌留下的“身份证”，显示于PETM事务期间，举行“快速燃烧”的甲烷分化细菌运动显著增强并到达岑岭。 “咱们经由历程读取这些‘身份证’，可以正确知道其时哪类微生物于事情，是慢燃发电另有是快速燃烧，事情强度有多年夜。”Bumsoo Kim说。 北极变暖或者重演汗青“脚本” “地球体系如同周详的化学工厂。”张一歌总结说，“理解这些‘份子开关’的运作机制，是咱们推测未来天气的要害钥匙。” 基在海洋浮游植物份子化石重修的二氧化碳浓度显示，PETM恢复期北极海洋的二氧化碳浓度水平比全世界平均值高200-700ppm，这注解北极海洋从原本接收二氧化碳的“海绵”酿成了排放二氧化碳的“烟囱”。 “由于海水变淡、硫酸盐削减，甲烷只能经由历程‘快速燃烧’的方式分化，直接制造了年夜量二氧化碳。”论文配相助者、北京年夜学研究员沈佳恒体现，这从基础上转变了北极于全世界碳轮回中的脚色，使其酿成温室气体排放源。 研究进一步展现，地质运动，如地壳运动及岩石形成、年夜陆风化、火山喷发等，会直接影响海洋硫酸盐含量，进而决议甲烷分化的方式。于数亿年前的中生代（恐龙时代）至数万万年前的新生代初期的远古海洋中，硫酸盐含量持久较低，这一特性可能对于全世界碳轮回及天气孕育发生了主要影响。 “这就像地球体系历程节制着海洋的‘燃料供应体系’，进而影响甲烷能源的使用方式及整个天气体系。”沈佳恒夸大，该研究提示咱们，当北极海水变淡、化学情况转变时，可能重演5600万年前的故事，即甲烷从高效使用转向快速燃烧，需要紧密亲密关注这一区域的变化。 英国南安普顿年夜学教授Gordon Inglis于审稿定见中评价称：“这是一篇使人兴奋且具备挑战性的研究论文，信赖会于PETM及更广泛的古天气学界引发广泛会商。” 接下来，张一歌团队将应用生物标志物、数据科学以和数值模仿等要领展现更多庞大科学问题，于地球体系科学框架下深切研究生物地球化学历程对于天气变化的影响机制。 相干论文信息：https://doi.org/10.1038/s41561-025-01784-3
张一歌于岩芯库手持刚钻获的岩芯。受访者供图，下同 
PETM期间北极海洋甲烷氧化路径改变看法图。
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