在远古时期，海洋里的生物泵和微型生物碳泵是如何耦合起来对宜居地球形成作贡献的，有哪些重大科学难题值得中国学者去突破以形成“中国学派”？

包括生物泵（BP）和微型生物碳泵（MCP）在内的海洋生物碳泵，是海洋生态系统通过碳循环调节地球环境变化的关键途径之一，对宜居地球起到增氧、减碳和降温等方面的作用。深入了解海洋生物碳泵的地质演化过程不仅为认识宜居地球的形成机制打开了一个“时空隧道”，而且在气候变化趋势严峻的当下，这条“隧道”可望通向碳中和策略的出口。

在地球历史上，生物经历了从原核生物到藻类再到多细胞动物的演化，生态系统也经历了从扁平到立体的大革新。生物圈的这些变化导致海洋生物碳泵出现阶段性的演化，并使地球变得更宜居。总体来说，人们对地质时期海洋生物碳泵了解得很少，基本是粗线条的框架性认识，甚至还存在很大争议，也难以回答古海洋生物碳泵与古气候之间的成因联系和定量关系。我国具备很好的地质材料优势和人才队伍优势来突破这些涉及地球系统之间复杂相互作用的重大挑战性难题，以尽早在海洋生物碳泵领域形成“中国学派”。

太古宙的海洋环境总体以缺氧为主，初级生产者以较难沉降的原核微生物为主，这样的生物和环境大背景条件在地质历史上是绝无仅有的。那么在这种长期缺氧环境下，是更有利于原核微生物的BP过程埋藏有机碳，还是更有利于微生物把POC（颗粒有机碳）转化为RDOC（惰性溶解有机碳）而储存在海水里的MCP过程？太古宙海洋生物碳泵对大气CO2的调节能力到底有多强？

元古宙海洋生物碳泵作用的一个最重要特征是受到两次大氧化事件的影响，并分别导致了藻类和多细胞动物的出现。这与太古宙总体缺氧环境及其相伴的生态系统明显不同。那么这两次大氧化事件及其导致的海洋生态系统变化是如何影响海洋生物碳泵的？大家已经熟知的新元古代晚期DOC（溶解有机碳）库到底有多大，它记录了怎样的海-气-生之间的相互作用？

在显生宙，多细胞动物在寒武纪出现大爆发，植物也随后登上陆地而形成繁盛的陆地生态系统。一个如此完整而发达的海、陆立体生态系统已经在古生代构建起来，那么这个古生代生态系统是如何通过影响海洋的BP和MCP进而影响重大气候环境事件的？特别是，BP和MCP过程对晚奥陶世和石炭纪-二叠纪的两大冰期有着怎样的影响？

中生代-新生代生态系统是在二叠纪-三叠纪之交最大规模的动植物大灭绝之后发展起来的，初级生产者和动物群都发生了大变革，包括绿藻类被“红枝藻类”替代，以非移动型为主的古生代动物群被以浮游和游泳为主的现代动物群替代。如果说古生代的海洋生物碳泵可能直接或者间接地对两大冰期事件产生重要影响的话，那么中生代-新生代生态系统又是如何通过BP和MCP途径对古气候产生影响的？特别是，当时海洋的BP和MCP过程是否影响了早三叠世、白垩纪、古新世-始新世之交等这些关键时期的极端温暖气候？它们是否还对新生代冰期-间冰期旋回的古气候变化作出重要贡献呢？

图1  显生宙动物多样性、海洋生态系统、无机碳同位素组成(δ13C, ‰)的变化幅度、深海碳酸盐沉积比例、有机埋藏分数Forg、全球碳埋藏量以及大气CO2含量(相对于工业革命前的比值)的变化. 在古生代-中生代之交(251.9 Ma)出现了最大规模的动物大灭绝, 随后绿藻类向红枝藻类(颗石藻、甲藻、硅藻)转变, 红枝藻类能将碳向深海传输, 增强了对碳循环的缓冲能力, 碳同位素组成变化趋于平缓. 海洋生态系统食物链的绿色生物体代表绿藻类, 红色生物体代表红枝藻系列, 黑色区域代表缺氧环境, 蓝色代表氧化环境. 图中曲线的文献来源请参阅原文

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原文信息

谢树成, 焦念志, 罗根明, 李东东, 汪品先. 海洋生物碳泵的地质演化: 微生物的碳汇作用. 科学通报, 2022, 67: 1715-1726