科学家发现了一位地球遥远过去的意想不到的见证者：被称为鲕粒的微小氧化铁石。这些矿物“雪球”封存了古代碳的痕迹，揭示出10亿至5.41亿年前的海洋中所含的有机碳远少于此前的认知。这一发现挑战了将碳含量、氧气激增与复杂生命出现联系起来的长期存在的理论。
从外观上看，它们像沙粒，但在形成方式上，这些所谓的鲕粒更像滚动的雪球：它们被海浪推过海底时层层生长。在此过程中，有机碳分子附着在它们上面，成为晶体结构的一部分。
通过检查这些杂质，海明威（Hemingway）的团队成功追溯了海洋中有机碳的供应情况——时间跨度长达16.5亿年。研究人员在《自然》杂志上发表的研究表明，在10亿至5.41亿年前，这一储量远低于之前的假设。这些发现反驳了对当时重大地球化学和生物事件的普遍解释，并为地球历史提供了新的视角。
海洋作为生命构建单元的储库
碳是如何进入海洋的？一方面，二氧化碳（CO2）从空气中溶解到海水中，并通过混合过程和洋流输送到深处，在那里被长期保留。另一方面，有机碳是由浮游植物或某些细菌等光合生物产生的。利用阳光的能量和CO2，这些微生物自身合成有机碳化合物。当这些生物死亡时，它们像海雪一样缓慢沉向海底。如果在下沉途中没有被生物捕食，这些碳就会在海底封存数百万年。
但提供碳组分供应的不仅仅是浮游植物。生命的构建单元也会被循环利用：微生物分解排泄物和死亡生物，从而再次释放出这些构建单元。这些分子形成了所谓的溶解有机碳，在海洋中自由漂流：这是一个巨大的构建单元储库，其碳含量是实际“构建”成海洋生命的碳的200倍。
氧气革命改变了一切
基于海洋沉积岩中的异常现象，研究人员推测，在10亿至5.41亿年前，这个构建单元储库一定特别庞大。长期以来，这一假设一直是解释冰期和复杂生命如何同时出现的基础。生命构建单元的光合生产与大气层及更复杂生命形式的发展密切相关。正是通过光合作用，氧气才开始在大气中积聚。
分两波——被称为氧气灾难——氧气含量上升到了目前的21%水平。这两次事件都伴随着覆盖整个星球的极端冰期。尽管如此，生命继续摸索着新的发明：在24亿至21亿年前的第一次氧气灾难期间，生物进化出了一种利用氧气将食物转化为能量的新陈代谢方式。这种极其高效的能量产生方式使得更复杂生命形式的发展成为可能。
碳含量远低于假设
海明威的团队正在追踪这种地球化学与生物发展之间的联系。研究人员开发了一种新方法，使他们能够根据鲕粒中的碳粒子，直接测定那个特定时期海洋构建单元库的大小。
“我们的结果与所有先前的假设相矛盾，”海明威总结道。根据苏黎世联邦理工学院（ETH）研究人员的测量，在10亿至5.41亿年前，海洋中含有的溶解有机碳并不比今天多，实际上比今天少了90%到99%。直到第二次氧气灾难之后，数值才上升到目前的6600亿吨碳的水平。
“我们需要对冰期、复杂生命和氧气增加之间的关系做出新的解释，”第一作者尼尔·加利利说道。他用当时较大生物的出现来解释碳储量的巨大缩减：单细胞和早期多细胞生物死后沉降得更快，从而增加了海雪的沉降量。
然而，碳粒子并没有在海洋深处被循环利用，因为那里的氧气很少。它们沉积在海底，导致溶解有机碳库急剧下降。只有当氧气在深海积聚时，碳库才重新增长到目前的规模。
从原始海洋到今天
尽管研究的时期早已过去，但研究发现对未来具有重要意义。它们改变了我们对地球上乃至可能系外行星上生命如何发展的看法。同时，它们有助于我们理解地球如何应对干扰，而人类就是这种干扰之一：人类活动引起的海洋变暖和污染目前正导致海洋氧气水平下降。因此，不能排除所描述的事件在遥远的未来重演的可能性。