千万年前,无论大陆还是海洋都与现在不同。

文章作者:管理一号 | 2019-05-06
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千万年前,不管大陆仍是海洋都与现在不同。图片来历:Emma Kast

来历:我国科学报

现在的印度次大陆在5000万年前碰击亚洲,改动了大陆的结构、地貌和全球气候等。现在,美国普林斯顿大学研讨团队发现了另一个效应:国际海洋中的氧气增多,改动了生命生计的条件。

该校地球科学研讨生Emma Kast是近来宣布在《科学》上的相关论文的榜首作者。“这些效果与人们之前所见的任何效果都不同,磕碰改动之大让咱们感到意外。”Kast说。

Kast用显微镜下的贝壳发明了一个海洋氮记载,时刻跨度从7000万年前——恐龙灭绝前不久——到3000万年前。普林斯顿大学地球科学副教授、论文作者之一John Higgins说,这一记载对全球气候研讨作出了巨大贡献。

“海洋生物可利用氮的多寡是影响海洋生产力的重要因素,且氮的生物地球化学循环会发作许多温室效应气体。因而,氮循环的动摇对全球气候改动有着重要影响,是其时全球改动研讨的重要科学问题之一。知道氮循环对了解其时全球气候变暖布景下氮循环改动及发展趋势有重大意义。”我国地质大学(武汉)副教授罗根明通知《我国科学报》。

从氮开端

氮不仅是大气中最丰厚的气体,也是地球上一切生命的要害。“我研讨氮是为了协助研讨全球环境。”普林斯顿大学教授、论文资深作者Daniel Sigman说。

地球上的每一种生物都需求“固定”氮——有时也被称为“生物可利用氮”。但很少有生物体能经过将这种气体转化为一种对生物有用的方式来“固定”它。不过,在海洋中,表层水中的蓝藻能为一切其他海洋生物固定氮。跟着蓝细菌和其他生物的逝世和下沉,它们会分化。

但一直以来,人们对海洋氮循环的百万年改动知之甚少。“咱们对百万年的改动知之甚少,因为咱们在这么长的时刻标准上对氮循环的记载有限。特别是在新生代前期,氮同位素记载十分少,而且没有显着的规则。此外,之前的记载都是用‘大块堆积氮’,换句话说,便是海洋堆积物样本中一切的氮。但是,其间保存原始的氮同位素信号是值得置疑的。”Kast在承受《我国科学报》采访时说。

而氮有两个安稳的同位素,15N和14N。在缺氧水域,分化会耗费“固定”氮。但对较轻的14N有细微偏好,所以海洋的15N/14N比值反映了其氧气水平。

这一份额能被一种称为有孔虫的细小生物所表现,它们身后将其保存在壳中。经过剖析化石,Kast和搭档可以重建古代海洋的15N/14N比值,然后确认海洋氧气水平的改动。

“氮同位素的首要研讨对象是堆积物中的整体有机质,是一个混合的信号,其较简单遭到后期成岩和样品处理的污染。”罗根明说,“普林斯顿大学的Sigman课题组一直在开发利用有孔虫壳体作为氮同位素研讨的重要载体,并取得了许多效果。”

小虫子的“史记”

Kast的首要研讨对象是有孔虫,这些小小的单细胞动物记载了海洋百万年的前史。

中科院水生生物研讨所王水兵通知《我国科学报》,有孔虫是一种具壳的海洋原生动物,壳体包裹着细胞质团。因为有孔虫化石在各个地质时期保存较好,壳体使得有孔虫在埋藏之后其同位素不太简单受外源元素的污染,因而常用于指示古环境改动。

Kast团队初次将该办法用到百万年标准的氮循环研讨,对太平洋、北大西洋和南大西洋3个钻孔70—25百万年前(Ma)的浮游有孔虫的氮同位素进行了剖析,建立了这一时期较高分辨率的氮同位素组成的改动特征:古新世(~56—65 Ma)较为安稳的高值阶段,始新世前期(~56—50 Ma)的快速下降阶段,始新世中—晚期(~50—34 Ma)的低值阶段以及渐新世前期的逐步升高阶段。

有孔虫壳体的氮同位素组成(FB—?啄15N)首要受控于反硝化(将硝酸盐还原成氮气)进程所发作的方位及通量。“当反硝化作用发作在缺氧的水柱中时,其同位素效应可以很好表现出来,使得剩余的硝酸盐富集15N,而当反硝化发作在堆积物中时,因为该进程比较完全,反硝化作用会耗费水体的生物可利用氮,但对水体的氮同位素组成没有影响。”罗根明说。

结合大地结构布景、不同水层温度改动特征及南北极冰盖的演化,Kast等人对上述氮同位素组成的改动进行了评论。罗根明说到,古新世高的FB—?啄15N与其时高海水温度相一致,或许与高温所引起的海洋中层低含氧带的扩张有关,后者使得反硝化作用加强。相对应的,始新世中—晚期以来的低FB—?啄15N值与低的温度相对应,阐明这时期海洋中层水缺氧程度和水体反硝化作用削弱。

躲藏的“凶手”

当研讨人员收集了史无前例的海洋氮地质记载后,他们发现在恐龙灭绝后的1000万年里,15N/14N的份额很高,这表明海洋的氧气水平很低。起先,他们以为这是其时温暖的气候形成的,因为氧气在温暖的水中不简单溶解。但时刻却通知人们另一个故事:海洋氧气含量的添加发作在5500万年前,其时气候继续变暖。

“与咱们开始的预期相反,全球气候并不是海洋氧氮循环改动的首要原因。”Kast说。更有或许的元凶巨恶是谁?板块结构。

印度与亚洲的磕碰——被现代气候研讨创始人之一、地球科学家Wally Broecker称为“改动国际的磕碰”——封闭了古特提斯海,打乱了大陆架及其与公海的联络。

研讨人员估测,因为特提斯洋的封闭,停止了特提斯洋高温、高盐及低氧的水体进入大西洋,从而削弱了水体的反硝化作用。相同,渐新世以来的FB-?啄15N升高或许也遭到了冰盖扩张的影响。

“冰盖扩张使得陆架水域面积减小,从而降低了堆积物中的反硝化作用,减缓了固氮微生物弥补的氮量(具有低的氮同位素组成)。”罗根明说。

罗根明还说到,这篇文章构建了根据有孔虫壳体的长时刻标准的氮同位素改动特征,并评论了氮循环与气候和大地结构布景的内在联络,为了解其时全球变暖布景下氮循环动摇及其对气候的反应机制有重要的参考价值,论文对后者的评论较为缺乏。此外,关于一些细节问题,如特提斯洋的封闭为何对太平洋的影响更为显着,以及区域性固氮微生物的活动对氮同位素组成的影响,也值得更进一步评论。

“论文提出了许多问题,未来有很多作业等着咱们。例如,咱们想做一些更严厉的气候和海洋模型,了解海洋环流改动的或许性及其对海洋氮和氧的影响。

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