三亿多年前，地球经历了源于火山喷发等自然因素的强烈二氧化碳爆发，导致海洋含氧量急剧下降。这些远古"碳喷发"引发了危险的海洋缺氧期，导致海洋生物多样性停滞不前，甚至可能重塑了整个生态系统。在一项突破性研究中，科学家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。令人警觉的是——当前人类活动产生的二氧化碳排放正以数百倍于远古时期的速度急剧飙升，这引发人们迫切担忧：现代海洋（尤其是生物资源丰富的沿海区域）将如何应对这一剧变。
结合沉积物岩芯的地球化学分析和先进的气候模型，这项于6月23日发表在《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（4%至12%）时，大气中二氧化碳含量也同步显著上升。此类缺氧事件（anoxic events）因其对海洋生物和生物多样性的有害影响而众所周知。
尽管这些发现源于远古时期，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区域产生影响。
"这是我们对二氧化碳水平发生与当今人类所处环境相当的巨大变化的唯一类比案例，我们看到二氧化碳水平成倍增长，"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。尽管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，但当今的二氧化碳水平主要受人类活动和相关排放的强烈影响。
"我们现在正在制造一次排放脉冲，其速度比过去快两个甚至三个数量级，"蒙塔涅兹说。
沉积物岩芯与深度气候模拟
在研究中，团队使用了采自中国华南罗平组（Naqing succession）地质构造的沉积物岩芯。通过分析这些深水岩芯的地球化学组成，特别是碳酸盐铀同位素，团队记录了地球从3.1亿年至2.9亿年前的环境状况。
"通过分析，我们不仅看到了二氧化碳的'排放脉冲'，在海洋铀同位素特征中也观察到了这种现象，"蒙塔涅兹说。"它们完全同步，那些铀峰值的大小揭示了海洋缺氧的程度。"
随后，团队利用这些信息为前沿气候模型提供依据。这些模型由本研究作者开发，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，"蒙塔涅兹解释道。"在考虑所有不确定性、已知信息和输入数据的前提下，它基本上能最优地模拟出最可能的情景。"
基于模拟结果，团队发现在2.9亿年至3.1亿年前，全球海洋氧含量出现了五次下降，降幅达4%至12%。每个时期持续约10万至20万年。
尽管海洋氧含量下降似乎与任何已知的大灭绝事件无关，但它确实与地质记录中可观察到的生物多样性停滞期相吻合。
"每次发生这种排放脉冲时，我们确实看到了生物多样性的停滞，"蒙塔涅兹指出。"它产生了影响，最有可能受冲击最大的是沿海区域。"
过去的记录，未来的启示
3亿年前的地球与今日截然不同。首先，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，但二氧化碳水平的上升幅度是相似的。
蒙塔涅兹认为，这可以视为一个警示。
"这是一个重大发现，因为一个处于氧气含量远高于今天的大气层下的海洋，如何能允许这种情况发生？"蒙塔涅兹说。"给我们的启示是——'切莫确信我们当前人类驱动的二氧化碳释放不会再次引发这种现象。'"
其他作者包括：陈继涛（中国科学院）；李诗涵、张爽（德州农工大学）；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、沈树忠（中国南京大学）。
该研究部分获得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资助。