三亿多年前，地球经历了源自自然界的强烈二氧化碳喷发——如大规模火山爆发——导致海洋含氧量骤降。这些远古"碳喷发"引发了危险的海洋缺氧期，不仅阻碍了海洋生物多样性发展，还可能重塑了整个生态系统。一项突破性研究结合高精度气候模型与深海沉积物分析，精准定位出五次此类事件。令人担忧的是，当前人类活动产生的二氧化碳排放正以比远古剧变快数百倍的速度飙升，这迫切警示着我们：现代海洋生态系统——尤其是生物资源丰富的沿岸海域——将如何应对这场危机。
通过结合沉积岩芯的地球化学分析和先进的气候建模，这项发表于6月23日《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）的研究强调了五个时期：当海洋氧含量显著下降（降幅4%至12%）的同时，大气二氧化碳水平也显著上升。此类缺氧事件因对海洋生物和生物多样性造成有害影响而为人所知。
尽管研究根源深植于远古，但这些发现与当前全球气候及其未来息息相关。如果类似规模的事件发生在今天，可能会对渔业和海洋生物多样性至关重要的沿海地区造成影响。
"这是我们对二氧化碳水平发生重大变化的唯一类比，其程度与我们今天所经历的相当，即二氧化碳水平翻倍甚至三倍，"资深作者、加州大学戴维斯分校地球与行星科学系杰出教授伊莎贝尔·P·蒙塔涅兹（Isabel P. Montañez）表示。
然而，不同之处在于二氧化碳的来源。虽然远古气候的二氧化碳水平受火山爆发等自然系统影响，但当今水平则受到人类生产和人类活动相关二氧化碳排放的强烈影响。
"我们现在正在制造一次爆发，其速率比过去快两个、甚至可能三个数量级，"蒙塔涅兹说道。
沉积岩芯与深度气候建模
研究中，团队使用了源自中国华南地区南青层序（Naqing succession）地质构造的沉积岩芯。通过分析这些深水岩芯的地球化学成分，特别是碳酸盐铀同位素，团队记录了3.1亿至2.9亿年前的地球环境状况。
"通过该分析，我们看到这些'爆发'不仅体现在二氧化碳中，也体现在海洋铀同位素特征上，"蒙塔涅兹说。"它们完全吻合，而铀峰值的大小则揭示了海洋缺氧的程度。"
随后，团队利用这些信息输入了由本研究作者开发的尖端气候模型，这些模型用于更好地理解古气候。
"这是一个数学框架，我们将所有代理信息输入其中，并在超级计算机上运行数十万次，"蒙塔涅兹解释道。"它本质上是在考虑所有不确定性、已知条件和所提供信息的情况下，最优地模拟出最符合现实的情景。"
基于建模结果，团队发现在2.9亿至3.1亿年前，全球海洋氧含量出现了五次下降，降幅在4%至12%之间。每个时期持续约10万至20万年。
虽然海洋氧含量下降似乎与任何已知的大规模灭绝事件无关，但它确实与地质记录中可见的生物多样性停滞期相吻合。
"我们确实观察到每次这些爆发发生时，生物多样性都会出现停滞，"蒙塔涅兹指出。"它产生了影响，最可能是沿海地区受影响最大。"
过去的记录，未来的教训
3亿年前的地球与今天截然不同。首先，当时大气中的氧气含量比如今高出40%至50%。尽管过去与现在存在差异，但二氧化碳水平上升的幅度却是相似的。
蒙塔涅兹认为，这可以被视为一个警示。
"这是一个重大发现，因为你如何能让一个处于氧气含量远高于今天的大气之下的海洋允许这种情况发生？"蒙塔涅兹反问道。"给我们的启示是：'不要如此确信，在我们当前人为驱动的二氧化碳排放下，这种情况不会重演。'"
其他作者包括：陈继陶（中国科学院）；李世瀚、张爽（德州农工大学）；Terry Isson（新西兰怀卡托大学）；Tais Dahl（丹麦哥本哈根大学）；Noah Planavsky（耶鲁大学）；张飞飞、王向东、沈树忠（中国南京大学）。
该研究得到了中国国家自然科学基金委员会和美国国家科学基金会的部分资助。