在5600萬年前的古新世-始新世極熱事件（PETM）中，地球經歷了劇烈變暖與海洋酸化。這一與當代氣候變化高度相似的“遠古實驗”，一直是科學界關注的焦點，然而其背后的碳循環機制卻始終未解。如今，我國科研人員在解決這一難題方面向前推進了一大步。
9月25日，《自然-地球科學》（Nature Geoscience）在線發表了中國科學院廣州地球化學研究所研究員張一歌團隊同合作者的最新研究成果。他們發現，海洋硫酸鹽濃度變化猶如一個控制全球氣候的“化學開關”，直接調控甲烷氧化路徑，致使北極海洋從碳匯逆轉為碳源。
“該研究不僅解決了PETM碳循環機制的科學難題，更重要的是為理解現代北極快速變化提供了歷史參照。”論文通訊作者張一歌對《中國科學報》表示，隨著北極海洋持續變暖和淡化，類似的甲烷氧化機制轉變可能重現，這對預測未來氣候變化具有重要預警意義。
張一歌在巖芯庫手持剛鉆獲的巖芯。受訪者供圖，下同
甲烷氧化路徑的“分水嶺”
甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，多以水合物“可燃冰”的形式儲藏在海底。以往人們擔憂其大規模、快速釋放會加劇全球變暖，近年研究發現，絕大部分海底釋放的甲烷會快速溶解并被微生物“消化”，但消化方式不同，產生的影響也大相徑庭。
在現代海洋中，約90%的甲烷會被沉積物中的微生物在無氧條件下利用。這一過程就像一個“慢燃發電廠”，以硫酸鹽作為“燃料”，高效轉化甲烷能源，同時產生堿性物質，緩解海洋酸化。然而在PETM時期，北極海水硫酸鹽濃度不到現代的三分之一。
“硫酸鹽嚴重不足，就像燃料短缺一樣，‘發電廠’無法正常工作，甲烷只能進入海水。”張一歌解釋道，“這時，另一類喜歡氧氣的細菌開始‘快速燃燒’甲烷，它們直接消耗氧氣，釋放二氧化碳，如同高溫燃燒釋放大量廢氣。”
“海底甲烷釋放一直在進行，但絕大多數被微生物的厭氧氧化過程消耗。”張一歌意識到，關鍵或許不在于某些特殊原因導致巨量海底甲烷的突然釋放，而在于甲烷被如何處理：厭氧氧化產生堿性物質緩解酸化，而好氧氧化直接產生二氧化碳加劇變暖和酸化。
“我在美國學習、工作、生活17年后，于2024回國加入中國科學院廣州地球化學研究所。在美國讀博期間，我就關注到這一問題，2011年還寫成了課程論文，但當時缺乏實證支持。”張一歌說：“如果能找到PETM或其他地質歷史上甲烷出現以及被氧化的實證，很可能就來自這些‘分子化石’。”
PETM事件與當前氣候變化有頗多相似之處，是古氣候研究的熱點。30年來，科學界對其大量碳來源說法不一，經典假說缺乏確鑿證據。為此，張一歌團隊聯合美國德州農工大學、夏威夷大學和北京大學等科研人員組成攻關團隊，歷時近5年，致力于從古老沉積物中尋找甲烷相關分子痕跡。
“在研究中，我們首次發現了5600萬年前PETM超強變暖事件背后的全新機制。”張一歌介紹，關鍵在于甲烷在海洋中的氧化方式發生了根本性轉變，這導致北極海洋從碳匯變為碳源，引發海水酸化，為新生代最顯著的短期暖化、酸化事件提供了全新的機制解釋。
遠古微生物的“身份證”
“該研究最大的困難是從古老沉積物中尋找甲烷相關的分子痕跡，猶如大海撈針。”張一歌指導的博士生、論文第一作者Bumsoo Kim（金泛壽）說。
據介紹，海底甲烷主要通過兩種方式被微生物消耗：缺氧沉積物中古菌和細菌合作厭氧氧化，以硫酸鹽為氧化劑；富氧水體中細菌好氧氧化。不同微生物代謝產生特有脂類分子，成為“分子化石”，這讓研究人員能夠識別數千萬年前起作用的微生物類型。
PETM時期北極海洋甲烷氧化路徑轉變概念圖。
“我們不可能找到任何一個事件一個地點的沉積物樣品就去做生標，期望能有所發現。”Bumsoo Kim說。幸運的是，張一歌團隊意識到了前人報道的數據的重要性，開發了從已發表生物標志物數據中挖掘新思路的大數據方法，構建了相應的數據庫，并發表了一系列相關研究作為技術儲備。
海水硫酸鹽濃度很有可能是控制甲烷氧化方式的關鍵因素。當PETM期間北極海水硫酸鹽濃度降至現代水平的1/3時，甲烷無法在沉積物中被及時厭氧氧化，轉而在水體中進行好氧氧化，使北極海洋從碳匯轉變為碳源。
“我們的發現有一定的偶然性。”張一歌介紹，荷蘭科學家Schouten等在2007年對PETM期間北極沉積物的研究中就報道了hop-17(21)-ene這種分子化石的出現，但他們沒有深入探討其意義。“我們讀到這篇文章以后，立即申請樣品進行重新分析。”
研究團隊不僅確認了該生物標志物的存在，還通過單分子同位素技術證實了其與甲烷氧化的關聯。研究證實，PETM期間北極海洋確實發生了甲烷氧化方式的根本轉變，從以厭氧氧化為主轉向好氧氧化占主導，這為理解PETM碳循環機制提供了直接證據。
“我們的創新在于將分子化石、同位素地球化學和數值模擬相結合，建立了從分子尺度到全球碳循環的完整證據鏈。”張一歌對《中國科學報》表示。
他們通過檢測化合物hop-17(21)-ene及其碳同位素組成，成功“復原”了5600萬年前的甲烷氧化過程。這些分子痕跡如同古代細菌留下的“身份證”，顯示在PETM事件時期，進行“快速燃燒”的甲烷分解細菌活動顯著增強并達到高峰。
“我們通過讀取這些‘身份證’，可以準確知道當時哪類微生物在工作，是慢燃發電還是快速燃燒，工作強度有多大。”Bumsoo Kim說。
北極變暖或重演歷史“劇本”
“地球系統猶如精密的化學工廠。”張一歌總結說，“理解這些‘分子開關’的運作機制，是我們預測未來氣候的關鍵鑰匙。”
基于海洋浮游植物分子化石重建的二氧化碳濃度顯示，PETM恢復期北極海洋的二氧化碳濃度水平比全球平均值高200-700ppm，這表明北極海洋從原本吸收二氧化碳的“海綿”變成了排放二氧化碳的“煙囪”。
“因為海水變淡、硫酸鹽減少，甲烷只能通過‘快速燃燒’的方式分解，直接制造了大量二氧化碳。”論文共同作者、北京大學研究員沈佳恒表示，這從根本上改變了北極在全球碳循環中的角色，使其變成溫室氣體排放源。
研究進一步揭示，地質活動，如地殼運動和巖石形成、大陸風化、火山噴發等，會直接影響海洋硫酸鹽含量，進而決定甲烷分解的方式。在數億年前的中生代（恐龍時代）至數千萬年前的新生代早期的遠古海洋中，硫酸鹽含量長期較低，這一特征可能對全球碳循環和氣候產生了重要影響。
“這就像地球系統過程控制著海洋的‘燃料供應系統’，進而影響甲烷能源的利用方式和整個氣候系統。”沈佳恒強調，該研究提醒我們，當北極海水變淡、化學環境改變時，可能重演5600萬年前的故事，即甲烷從高效利用轉向快速燃燒，需要密切關注這一區域的變化。
英國南安普頓大學教授Gordon Inglis在審稿意見中評價稱：“這是一篇令人興奮且具有挑戰性的研究論文，相信會在PETM和更廣泛的古氣候學界引發廣泛討論。”
接下來，張一歌團隊將運用生物標志物、數據科學以及數值模擬等方法揭示更多重大科學問題，在地球系統科學框架下深入研究生物地球化學過程對氣候變化的影響機制。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41561-025-01784-3
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