每日看點(diǎn)!無(wú)心插柳的課題發(fā)了Nature論文

李孜曄忘不了2017年的那一天，她已經(jīng)對(duì)著幾顆魚類的牙齒化石碎片鼓搗好幾個(gè)月，卻一無(wú)所獲。就在這個(gè)時(shí)候，導(dǎo)師張一歌結(jié)束了為期2個(gè)月的航?？瓶?，帶著一身的海風(fēng)回來(lái)了。

他看著這個(gè)剛剛來(lái)到自己實(shí)驗(yàn)室、正在一籌莫展的姑娘，笑著說(shuō)：“這不是世界末日！”因?yàn)樗@次從海上帶回來(lái)的，還有一個(gè)全新的科學(xué)idea。 

與科考船合影的張一歌 （受訪者供圖，下同）

李孜曄當(dāng)時(shí)是中國(guó)海洋大學(xué)在讀博士，2016~2018年期間受國(guó)家留學(xué)基金委資助在美國(guó)德州A&M大學(xué)進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)，張一歌是她聯(lián)合培養(yǎng)期間的導(dǎo)師。

近日，他們?cè)贜ature上合作發(fā)表了題為“Neogene burial of organic carbon in the global ocean”（新近紀(jì)全球大洋有機(jī)碳埋藏）的論文。

這篇論文最初的萌芽，正是那個(gè)來(lái)自大海的idea。

一個(gè)顛覆教科書的發(fā)現(xiàn)

張一歌參與的科考項(xiàng)目，名叫國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（IODP），其前身是美國(guó)于于1968年開始進(jìn)行的深海鉆探計(jì)劃（DSDP）和1985年開始實(shí)施的大洋鉆探計(jì)劃（ODP）。

張一歌作為有機(jī)地球化學(xué)家登船，他分到的主要任務(wù)是研磨從海底打撈上來(lái)的巖芯，然后進(jìn)行無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳含量的測(cè)量。整整兩個(gè)月的夜班，他經(jīng)常要抱著研缽和研杵磨上12個(gè)小時(shí)，手上都生了厚厚的繭子。磨著磨著，他的腦海里涌出了一個(gè)想法。

“我意識(shí)到，從大洋鉆探計(jì)劃啟動(dòng)開始，人們就在研磨這些東西，產(chǎn)生的有機(jī)碳測(cè)試數(shù)據(jù)已經(jīng)積累了50多年。但過(guò)去人們只用這些數(shù)據(jù)做些很基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)。”張一歌對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，“我想，我們或許能拿這些數(shù)據(jù)做些更有意義的事情。”

他把這個(gè)想法分享給李孜曄，一個(gè)嶄新的課題開啟了。

他們關(guān)注的焦點(diǎn)是“有機(jī)碳埋藏”，也就是大氣和海洋中的碳被海藻進(jìn)行光合作用合成的有機(jī)物，進(jìn)入海底沉積物中，形成深埋的有機(jī)質(zhì)。這種現(xiàn)象可以有效減少大氣中的溫室氣體的含量。

在當(dāng)前全球氣候變化加劇的背景下，人們迫切需要知道：海底儲(chǔ)藏有機(jī)碳的能力存在什么樣的變化規(guī)律，對(duì)全球碳循環(huán)起到怎樣的影響。

直接檢測(cè)全球不同區(qū)域的海底沉積物的成分很困難，所以過(guò)去人們多是通過(guò)有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的“質(zhì)量平衡”來(lái)估算有機(jī)碳的埋藏速率。所謂“質(zhì)量平衡”，指的是在地質(zhì)時(shí)間尺度上，進(jìn)入到大氣和海洋系統(tǒng)中的碳，只能以有機(jī)碳（包括大量有機(jī)碳情況下形成的石油、天然氣等）或無(wú)機(jī)碳（主要是碳酸鹽例如珊瑚、貝殼等）埋藏的方式被移除。碳有碳12和碳13兩種同位素，而相較于碳13，有機(jī)碳主要富集碳12。于是科學(xué)家們想出一個(gè)辦法：檢測(cè)海洋沉積物中的碳酸鹽的碳同位素，碳13越多，就證明有越多的有機(jī)碳已經(jīng)沉積進(jìn)全球的海底了。

最著名的案例出現(xiàn)在美國(guó)加利福尼亞州的蒙特利地層。這里的頁(yè)巖沉積巖來(lái)自距今約1500萬(wàn)年的中新世中期，有機(jī)碳的含量非常高，是加州產(chǎn)出的石油和天然氣的來(lái)源。同時(shí)，中新世中期時(shí)的海洋碳酸鹽也表現(xiàn)出極大的碳同位素值。人們據(jù)此認(rèn)為，當(dāng)時(shí)地球上出現(xiàn)了有機(jī)碳埋藏的增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)著隨后出現(xiàn)的大氣二氧化碳下降和全球氣候變冷。

這是寫在教科書上的知識(shí)點(diǎn)。

然而，國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃在過(guò)去50多年間，在各大海域的海底采集了大量巖芯，這讓直接研究海底沉積物中的有機(jī)碳成為可能。張一歌和李孜曄等人匯總了全球不同海盆共計(jì)81個(gè)站位上的巖芯總有機(jī)碳測(cè)試數(shù)據(jù)后，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，中新世中期的有機(jī)碳埋藏不是最多的，反而是最少的。

“這可能會(huì)是一個(gè)顛覆教科書的發(fā)現(xiàn)。”張一歌說(shuō)。

重建2000萬(wàn)年有機(jī)碳埋藏記錄！

在這篇論文中，研究人員第一次重建了過(guò)去2000多萬(wàn)年以來(lái)的全球海洋有機(jī)碳埋藏記錄。

為了做到這一點(diǎn)，李孜曄在研究初期查閱了海量資料。國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃的歷次航行，都會(huì)把相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到幾個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。但很多時(shí)候，這些數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息不夠完整，不夠“一手”，還需要從散落在各處的文獻(xiàn)和報(bào)告中去尋找更多數(shù)據(jù)，甚至刨根問(wèn)底去挖掘更加原始的資料來(lái)源。此外，很多論文中的數(shù)據(jù)僅僅局限于某個(gè)時(shí)間段，不足以覆蓋他們需要的研究時(shí)間，因此還要進(jìn)一步完善。

這是個(gè)苦功夫。短短2個(gè)月間，李孜曄的眼鏡度數(shù)都增加了100多度。

李孜曄在巖心庫(kù)取樣間取樣

找到盡可能多的數(shù)據(jù)只是第一步。接下來(lái)，他們還需要建立一種全新的有機(jī)碳埋藏速率計(jì)算方法。“如何讓我們的方法能夠盡可能地適用于漫長(zhǎng)的歷史尺度和廣闊的空間尺度，盡量減少不確定性，這是我們工作中最大的難點(diǎn)之一。”李孜曄說(shuō)。

最終他們發(fā)現(xiàn)，海底有機(jī)碳埋藏的時(shí)空變率遠(yuǎn)高于以往的估計(jì)。在上新世和中新世早期，之所以會(huì)在全球近海、陸架和深海沉積扇出現(xiàn)有機(jī)碳埋藏的峰值，與造山期隆升、冰川侵蝕等導(dǎo)致的高沉積物通量密切相關(guān)。

而在開闊海洋，一般認(rèn)為海底有機(jī)碳的埋藏更多受到海洋生產(chǎn)力變化的影響。但這篇文章認(rèn)為，在中新世中期，氣候變暖導(dǎo)致海洋中異養(yǎng)細(xì)菌新陳代謝速率加快，有機(jī)質(zhì)再礦化速率升高，使得海底有機(jī)碳埋藏速率降低，從而對(duì)氣候產(chǎn)生正反饋效應(yīng)。

“這個(gè)結(jié)論非常重要。”張一歌說(shuō)，“這也就是說(shuō)，當(dāng)?shù)厍驓夂蜃兣臅r(shí)候，反而不利于海底儲(chǔ)存更多的碳。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這不是個(gè)很好的消息，會(huì)讓目前面臨的氣候問(wèn)題雪上加霜。”

亦師亦友，探索海洋的奧秘

李孜曄是1989年出生的，張一歌只比她大5歲。兩個(gè)人開展合作研究時(shí)，保持著一種亦師亦友的關(guān)系。

在李孜曄眼里，張一歌是自己的“人生榜樣”。“他總是能給人帶來(lái)希望。”她說(shuō)，“他打心眼里對(duì)學(xué)生好，總是非常有耐心，非常能理解我們。許多很難的科學(xué)問(wèn)題，跟他一聊，就感到豁然開朗。”

對(duì)此張一歌坦言，自己在讀書時(shí)，并不是一個(gè)典型的好學(xué)生，甚至一度因?yàn)樨澩妫髮W(xué)讀了5年才畢業(yè)。直到他接觸到海洋沉積物的科學(xué)研究，突然產(chǎn)生了巨大的興趣，就這樣一路成長(zhǎng)為一名頗有建樹的青年科學(xué)家。

“因此，我不會(huì)特別苛求學(xué)生的成績(jī)，我最看重的，就是他們是否有飽滿的興趣和熱情。”張一歌說(shuō)。

李孜曄對(duì)海洋的熱愛顯而易見。她在內(nèi)陸省份長(zhǎng)大，出于對(duì)大海的向往，來(lái)到中國(guó)海洋大學(xué)讀研究生，碩士期間研究海洋中古老的原生生物有孔蟲。顯微鏡下被虎紅染色的活體有孔蟲，千姿百態(tài)，美得令她著迷。博士期間，她遠(yuǎn)赴美國(guó)德州A&M大學(xué)，跟隨張一歌探索海洋更深處的奧秘?，F(xiàn)在她是中國(guó)海洋大學(xué)的博士后，目前通過(guò)博士后派出計(jì)劃，在德國(guó)不來(lái)梅大學(xué)海洋環(huán)境科學(xué)中心進(jìn)行研究工作。

這個(gè)乍看之下文靜內(nèi)斂的女生，卻有很多酷酷的愛好：收集古生物化石、野外徒步，她還拿到了救援潛水員證，參加過(guò)馬來(lái)西亞沉船的水下考古研究。

“我今年還參加了一個(gè)特別有趣的項(xiàng)目：人工放流小丑魚。”李孜曄告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“小丑魚生活在珊瑚礁中的?？稀５捎跉夂蜃兓腿祟惢顒?dòng)的影響，珊瑚遭到無(wú)可挽回的破壞，珊瑚礁大面積白化進(jìn)而消失，引起了嚴(yán)峻的生態(tài)危機(jī)。我很希望自己能為海洋保護(hù)做一點(diǎn)事情。”

李孜曄曾經(jīng)跟世界上最大最長(zhǎng)壽（1200多歲）的團(tuán)塊微孔珊瑚合影，而如今，她身后出現(xiàn)過(guò)的這個(gè)“大香菇”已經(jīng)倒下了。海洋的壯麗和面臨的危機(jī)，都吸引著她在這個(gè)領(lǐng)域繼續(xù)走下去。

“有很多有意義的事情要去做。”她說(shuō)。

潛水中的李孜曄

相關(guān)論文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05413-6