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在遠(yuǎn)古時期，海洋里的生物泵和微型生物碳泵是如何耦合起來對宜居地球形成作貢獻(xiàn)的，有哪些重大科學(xué)難題值得中國學(xué)者去突破以形成“中國學(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)通過碳循環(huán)調(diào)節(jié)地球環(huán)境變化的關(guān)鍵途徑之一，對宜居地球起到增氧、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)演化過程不僅為認(rèn)識宜居地球的形成機(jī)制打開了一個“時空隧道”，而且在氣候變化趨勢嚴(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。總體來說，人們對地質(zhì)時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，甚至還存在很大爭議，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。我國具備很好的地質(zhì)材料優(yōu)勢和人才隊(duì)伍優(yōu)勢來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“中國學(xué)派”。

太古宙的海洋環(huán)境總體以缺氧為主，初級生產(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)歷史上是絕無僅有的。那么在這種長期缺氧環(huán)境下，是更有利于原核微生物的BP過程埋藏有機(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）而儲存在海水里的MCP過程？太古宙海洋生物碳泵對大氣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，那么這個古生代生態(tài)系統(tǒng)是如何通過影響海洋的BP和MCP進(jìn)而影響重大氣候環(huán)境事件的？特別是，BP和MCP過程對晚奧陶世和石炭紀(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)模的動植物大滅絕之后發(fā)展起來的，初級生產(chǎn)者和動物群都發(fā)生了大變革，包括綠藻類被“紅枝藻類”替代，以非移動型為主的古生代動物群被以浮游和游泳為主的現(xiàn)代動物群替代。如果說古生代的海洋生物碳泵可能直接或者間接地對兩大冰期事件產(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BP和MCP途徑對古氣候產(chǎn)生影響的？特別是，當(dāng)時海洋的BP和MCP過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)鍵時期的極端溫暖氣候？它們是否還對新生代冰期-間冰期旋回的古氣候變化作出重要貢獻(xiàn)呢？

圖1  顯生宙動物多樣性、海洋生態(tài)系統(tǒng)、無機(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)來源請參閱原文

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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