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PETM時期北極海洋甲烷氧化路徑轉變概念圖。研究團隊供圖

5600萬年前的極熱事件時，北極海洋是如何加劇全球變暖的？9月25日，中國科學院廣州地球化學研究所與國際合作團隊在國際學術期刊《自然·地球科學》上刊發論文揭示了此謎底：海洋硫酸鹽濃度的微妙變化，能夠改變甲烷的消耗方式，就像一個“化學開關”，引起了全球氣候變化。

甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，而大量的甲烷以水合物“可燃冰”的形式儲藏在海底。近年研究發現，絕大部分海底釋放的甲烷都會快速溶解在海水中，然后被各種微生物“消化”掉，很少能直接進入大氣。甲烷被“消化”的方式不同，對海洋和氣候的影響也截然不同。

現代海洋中，約90%的甲烷會被沉積物中的微生物在無氧條件下利用，即以硫酸鹽作為“燃料”，高效轉化甲烷能源，同時產生堿性物質，緩解海洋酸化，這個過程就像“慢燃發電廠”。

約5600萬年前的古新世-始新世極熱事件（PETM）是新生代以來出現的一次強度最大的全球快速變暖事件。在此時期，北極海水硫酸鹽濃度不到現代的三分之一。

“因為硫酸鹽嚴重不足，猶如燃料短缺，‘發電廠’無法正常工作，甲烷只能進入海水中。”項目負責人、中國科學院廣州地球化學研究所研究員張一歌解釋，“這時候，另一類喜歡氧氣的細菌開始快速‘燃燒’甲烷，就像高溫燃燒釋放大量廢氣一樣。”

研究團隊通過檢測一種特殊的分子痕跡，成功復原了5600萬年前的甲烷氧化過程。這些分子痕跡就像古代細菌留下的“身份證”，顯示在PETM事件后期，進行“快速燃燒”的甲烷分解細菌活動顯著增強并達到高峰。

“通過讀取這些‘身份證’，我們可以準確知道當時哪類微生物在工作，是慢燃發電還是快速燃燒，工作強度有多大。”論文第一作者金泛壽博士說。

研究發現，這一時期北極海水中CO₂的濃度水平比全球平均值高200-700ppm，說明北極海洋從原本吸收二氧化碳的“海綿”變成了排放二氧化碳的“煙囪”。這從根本上改變了北極在全球碳循環中的角色，變成溫室氣體排放源。

地質活動又是如何影響氣候？地殼運動和巖石形成、大陸風化、火山噴發等，會直接影響海洋硫酸鹽含量，進而決定了甲烷分解的方式。在數億年前的中生代（恐龍時代）至數千萬年前的新生代早期的遠古海洋中，硫酸鹽含量長期較低，此特征可能對全球碳循環和氣候產生了重要影響。

“這就像地球系統過程控制著海洋的‘燃料供應系統’，進而影響甲烷能源的利用方式和整個氣候系統。”張一歌介紹。

隨著現代北極海洋快速變暖和淡化，類似的甲烷氧化機制可能被再次激活。論文合作作者、北京大學研究員沈佳恒指出，這一研究提醒我們，當北極海水變淡、化學環境改變時，可能重演5600萬年前的故事——甲烷從高效利用轉向快速燃燒，我們需要密切關注此區域的變化。

該研究對認識地質歷史時期的碳循環突變及現代北極快速變暖、淡化背景下的潛在溫室氣體排放風險具有重要預警意義。