據外媒報道，顯微鏡下的貝殼化石正在幫助地質學家重建古新世-始新世極熱事件（PETM）期間的地球氣候，這是5600萬年前全球突然變暖和海洋酸化的時期。來自這些古老貝殼的線索可以幫助科學家更好地預測由人類造成的二氧化碳排放所導致的未來變暖和海洋酸化。
在美國西北大學科學家的領導下，研究人員分析了有孔蟲的外殼，這是一種居住在海洋中的單細胞生物，其外部外殼由碳酸鈣構成。在分析了化石的鈣同位素組成后，研究人員得出結論，大規模的火山活動將大量的二氧化碳注入地球系統，導致全球變暖和海洋酸化。
他們還發現，全球變暖和海洋酸化並不只是被動地影響有孔蟲。這些生物也積極地做出反應，在建造它們的外殼時降低了鈣化率。隨着鈣化速度的減慢，有孔蟲從海水中消耗的鹼度減少，這有助於緩衝海洋酸度的增加。
“碳酸鈣的形成和溶解有助於調節海水的酸度和鹼度，”西北大學的Andrew Jacobson說，他是這項研究的資深作者。“我們的鈣同位素數據表明，在PETM之前和整個PETM期間，有孔蟲的鈣化減少起到了抑制海洋酸化的作用。”
“這在該領域是一個相當新的概念，”該研究的第一作者Gabriella Kitch補充說。“以前，人們認為只有海底碳酸鹽的溶解才能增加海洋的鹼度，緩衝海洋酸化的影響。但是我們正在對現有的研究進行補充，表明碳酸鹽的生產減少也有同樣的緩衝作用。”
這項研究最近發表在《地質學》雜誌上。這是第一個研究有孔蟲的鈣同位素組成來重建PETM之前和整個PETM的條件，也是西北大學最近的第三個研究發現海洋酸化–由於火山的二氧化碳排放–在主要的史前環境災難之前，如大規模滅絕、海洋缺氧事件和全球強烈變暖時期。
Jacobson是西北大學溫伯格文理學院的地球和行星科學教授。Kitch是Jacobson實驗室的博士生和國家科學基金會的研究生研究員。西北大學地球科學教授Bradley Sageman和Matthew Hurtgen，以及來自加州大學聖克魯茲分校（UCSC）和堪薩斯大學的合作者，與Jacobson和Kitch共同撰寫了該論文。
為了研究PETM期間的海洋條件，研究人員檢查了大洋鑽探計劃從兩個地點–一個在東南大西洋，一個在太平洋–收集的有孔蟲化石的鈣同位素組成。
由於每個化石的殼只有一粒沙子大小，加州大學舊金山分校的研究人員通過物理方式收集這些微小的標本，首先在顯微鏡下識別它們。在將殼從散裝沉積物中分揀出來后，西北大學的團隊將樣品溶解，並使用熱電離質譜儀分析其鈣同位素組成。
“這項工作非常具有挑戰性，” Jacobson說。“為了操縱這些微小的材料，你必須在顯微鏡下用濕的畫筆尖一個一個地把它們撿起來。”
當這些殼在5600多萬年前形成時，它們對海洋條件做出了反應。通過檢查這些殼，西北大學的研究小組發現，在PETM開始之前，鈣的同位素比率有所增加。
“我們正在研究一組生物，它們在海洋的一個部分建造它們的外殼，記錄它們周圍的海水化學成分，”Kitch說。“我們認為鈣同位素數據揭示了眾所周知的邊界之前的潛在壓力。”
其他檔案表明，大氣-海洋系統在PETM之前立即經歷了一次大規模的二氧化碳釋放。當大氣中的二氧化碳溶解在海水中時，它會形成一種弱酸，可以抑制碳酸鈣的形成。儘管目前仍未確定，但地球科學家認為，碳的釋放很可能來自火山活動或級聯效應，如海洋變暖導致的海底甲烷水合物的釋放。
“我的懷疑是，它是這兩個因素或某種組合，”Sageman說。“地球歷史上的大多數大事件都代表了許多行為者在同一時間的匯合。”
這是由Jacobson領導的第三項研究，發現海洋酸化在重大環境災難之前，與大型火成岩省的爆發相關。上個月， Jacobson的團隊發表了發現火山活動在1.2億年前發生的海洋缺氧事件之前引發了生物鈣化危機的結果。就在一年多以前， Jacobson的團隊發表了另一項研究，發現海洋酸化發生在小行星撞擊之前，導致了6600萬年前白堊紀-古近紀滅絕事件，其中包括恐龍的滅絕。
在所有這三項研究中， Jacobson的團隊在他的實驗室中使用了複雜的工具來分析碳酸鈣化石和沉積物的鈣同位素組成。 Jacobson說，一個清晰的模式正在出現。二氧化碳的流入導致了全球變暖和海洋酸化，並最終導致了大規模的環境變化。
Jacobson表示：“在我們所有的研究中，我們一直看到在重大事件或滅絕地平線發生之前，鈣同位素比率的增加。這似乎指出了類似的驅動力和共同的反應。”
“也許鈣同位素系統對這些事件的最早階段具有敏感性，”Sageman補充說。
未來海洋壓力的預測者
許多研究人員研究PETM是因為它為當今人類造成的全球變暖提供了最好的模擬。PETM期間的碳湧入與過去兩個世紀的碳釋放量相似。然而，時間尺度有很大不同。PETM期間的溫度在17萬年內增加了5至8攝氏度。隨着人類造成的氣候變化，如果二氧化碳排放不減，預計同樣水平的變暖將在不到200年內發生。
此外，陸地和海洋的壓力，包括有孔蟲類鈣化的大幅減少，伴隨着PETM。 Jacobson說：“PETM是一個模型，說明在主要的大型碳循環擾動期間會發生什麼。對地球未來氣候的許多預測都依賴於對PETM期間所發生的事情的理解。”