李孜曄忘不了2017年的那一天，她已經(jīng)對著幾顆魚類的牙齒化石碎片鼓搗好幾個月，卻一無所獲。就在這個時候，導(dǎo)師張一歌結(jié)束了為期2個月的航?？瓶迹瑤е簧淼暮ｏL(fēng)回來了。

他看著這個剛剛來到自己實驗室、正在一籌莫展的姑娘，笑著說：“這不是世界末日！”因為他這次從海上帶回來的，還有一個全新的科學(xué)idea。 

與科考船合影的張一歌 （受訪者供圖，下同）

李孜曄當(dāng)時是中國海洋大學(xué)在讀博士，2016~2018年期間受國家留學(xué)基金委資助在美國德州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，他們在Nature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，正是那個來自大海的idea。

一個顛覆教科書的發(fā)現(xiàn)

張一歌參與的科考項目，名叫國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃（IODP），其前身是美國于于1968年開始進(jìn)行的深海鉆探計劃（DSDP）和1985年開始實施的大洋鉆探計劃（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的巖芯，然后進(jìn)行無機(jī)碳和有機(jī)碳含量的測量。整整兩個月的夜班，他經(jīng)常要抱著研缽和研杵磨上12個小時，手上都生了厚厚的繭子。磨著磨著，他的腦海里涌出了一個想法。

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

他把這個想法分享給李孜曄，一個嶄新的課題開啟了。

他們關(guān)注的焦點是“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：海底儲藏有機(jī)碳的能力存在什么樣的變化規(guī)律，對全球碳循環(huán)起到怎樣的影響。

直接檢測全球不同區(qū)域的海底沉積物的成分很困難，所以過去人們多是通過有機(jī)碳和無機(jī)碳的“質(zhì)量平衡”來估算有機(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)家們想出一個辦法：檢測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)在美國加利福尼亞州的蒙特利地層。這里的頁巖沉積巖來自距今約1500萬年的中新世中期，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源。同時，中新世中期時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)時地球上出現(xiàn)了有機(jī)碳埋藏的增強，對應(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點。

然而，國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃在過去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81個站位上的巖芯總有機(jī)碳測試數(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。

“這可能會是一個顛覆教科書的發(fā)現(xiàn)。”張一歌說。

重建2000萬年有機(jī)碳埋藏記錄！

在這篇論文中，研究人員第一次重建了過去2000多萬年以來的全球海洋有機(jī)碳埋藏記錄。

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

這是個苦功夫。短短2個月間，李孜曄的眼鏡度數(shù)都增加了100多度。

李孜曄在巖心庫取樣間取樣

找到盡可能多的數(shù)據(jù)只是第一步。接下來，他們還需要建立一種全新的有機(jī)碳埋藏速率計算方法。“如何讓我們的方法能夠盡可能地適用于漫長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之一。”李孜曄說。

最終他們發(fā)現(xiàn)，海底有機(jī)碳埋藏的時空變率遠(yuǎn)高于以往的估計。在上新世和中新世早期，之所以會在全球近海、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，從而對氣候產(chǎn)生正反饋效應(yīng)。

“這個結(jié)論非常重要。”張一歌說，“這也就是說，當(dāng)?shù)厍驓夂蜃兣臅r候，反而不利于海底儲存更多的碳。對我們來說，這不是個很好的消息，會讓目前面臨的氣候問題雪上加霜。”

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。兩個人開展合作研究時，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”。“他總是能給人帶來希望。”她說，“他打心眼里對學(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)問題，跟他一聊，就感到豁然開朗。”

對此張一歌坦言，自己在讀書時，并不是一個典型的好學(xué)生，甚至一度因為貪玩，大學(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，就這樣一路成長為一名頗有建樹的青年科學(xué)家。

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

李孜曄對海洋的熱愛顯而易見。她在內(nèi)陸省份長大，出于對大海的向往，來到中國海洋大學(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)赴美國德州A&M大學(xué)，跟隨張一歌探索海洋更深處的奧秘。現(xiàn)在她是中國海洋大學(xué)的博士后，目前通過博士后派出計劃，在德國不來梅大學(xué)海洋環(huán)境科學(xué)中心進(jìn)行研究工作。

這個乍看之下文靜內(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，參加過馬來西亞沉船的水下考古研究。

“我今年還參加了一個特別有趣的項目：人工放流小丑魚。”李孜曄告訴《中國科學(xué)報》，“小丑魚生活在珊瑚礁中的海葵上。但由于氣候變化和人類活動的影響，珊瑚遭到無可挽回的破壞，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)做一點事情。”

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

“有很多有意義的事情要去做。”她說。

潛水中的李孜曄

相關(guān)論文信息：

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