3亿多年前，地球曾经历由自然因素（如大规模火山喷发）引发的强烈二氧化碳爆发事件，这些远古时期的"碳喷发"导致海洋含氧量急剧下降，形成危险的海洋缺氧期，不仅阻碍了海洋生物多样性的发展，更可能重塑了整个生态系统。在一项开创性研究中，科学家将高科技气候模型与深海沉积物分析相结合，精准锁定了五次此类重大事件。令人警醒的是，当今人类活动导致的二氧化碳排放速度，竟比那些远古地质剧变还要快数百倍——这引发了一个紧迫问题：现代海洋，尤其是富饶的沿海生态系统，将如何应对这种剧变？
6月23日发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究，结合了对沉积物岩心的地球化学分析和先进的气候模型，揭示了五个时期，在这些时期中，海洋氧气水平显著下降（下降4%至12%），同时伴随着大气中二氧化碳水平的显著上升。这些缺氧事件因其对海洋生物和生物多样性的不利影响而闻名。
尽管这些发现源于遥远的过去，但它们与当前全球气候及其未来息息相关。如果类似规模的事件今天发生，它们很可能会影响对渔业和海洋生物多样性至关重要的沿海地区。
"这是我们唯一的参照，用以类比与当今我们所经历的相当水平的二氧化碳巨大变化，即我们看到二氧化碳水平翻倍和三倍的情况，"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·蒙塔涅斯说。
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到火山喷发等自然系统的影响，但当今的水平则深受人类产生和人类活动相关的二氧化碳排放的影响。
"我们现在正在制造一次'打嗝'，其速度比过去快两到三个数量级，"蒙塔涅斯说。
沉积物岩心与深层气候模拟
在这项研究中，研究团队使用了来自中国华南一个名为纳庆剖面的地质构造的沉积物岩心。通过分析这些深水岩心的地球化学组成，特别是碳酸盐铀同位素，该团队记录了3.1亿至2.9亿年前地球的环境状况。
"通过分析，我们不仅看到了二氧化碳的'打嗝'，也看到了海洋铀同位素特征的相应变化，"蒙塔涅斯说。"它们完全吻合，这些铀峰的大小告诉我们海洋缺氧的程度。"
随后，研究团队利用这些信息为本研究作者们开发的、用于更好理解古气候的前沿气候模型提供数据。
"这是一个数学框架，我们将所有替代性指标信息输入其中，并在超级计算机上运行数十万次，"蒙塔涅斯说。"在考虑到所有不确定性、所有已知信息和所有给定数据的情况下，它基本上能最佳地模拟出最真实的情况。"
基于模型，研究团队发现了在2.9亿至3.1亿年前，全球海洋氧气含量出现五次下降，幅度在4%至12%之间。每个时期持续大约10万至20万年。
虽然海洋氧气的减少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。
"我们确实在每次发生这些'打嗝'事件时都看到了生物多样性的这些停滞期，"蒙塔涅斯说。"它产生了影响，很可能是沿海地区受到的影响最大。"
过往的记录，未来的教训
3亿年前的地球与当今的地球截然不同。首先，当时大气中的氧气含量比今天高40%到50%。尽管过去与现在存在差异，但二氧化碳水平上升的幅度是相似的。
根据蒙塔涅斯的说法，这可能被解读为一个警告。
"这是一个巨大的发现，因为你怎么可能让一个位于氧气比今天多得多的大气之下的海洋，允许这种情况发生？"蒙塔涅斯说。"它给我们的信息是：'不要那么确信，我们目前由人类活动驱动的二氧化碳释放不会再次造成这种情况。'"
其他合著者包括：陈吉涛，中国科学院；李仕涵和张爽，德克萨斯A&M大学；特里·伊森，新西兰怀卡托大学；泰斯·达尔，丹麦哥本哈根大学；诺亚·普拉纳夫斯基，耶鲁大学；张飞飞、王向东和沈树忠，中国南京大学。
该研究部分得到了中国国家自然科学基金和美国国家科学基金的资助。