碳硅循环——控制地球气候的关键机制

地球的气候在很长一段时间内是相对稳定的。在过去的30亿年里，大部分时间气温都很温暖，二氧化碳含量也很高——直到大约4亿年前发生了一次变化。一项新的研究表明，这个时期的变化伴随着碳硅循环的基本变化。美因茨约翰内斯古登堡大学(JGU)的研究人员说，前寒武纪的稳定状态转变为我们今天看到的更不稳定的气候，很可能是由于新生命形式的出现和传播。研究人员通过在海洋沉积物中锂同位素追踪了碳硅循环的长期演化。这个循环被认为是控制地球气候的关键机制，因为它调节二氧化碳水平，并随之调节温度。碳硅循环使地球的气候在很长一段时间内保持稳定，尽管太阳亮度、大气氧浓度和地壳的组成有很大的变化。这种稳定的气候为生命在地球上的长期殖民创造了条件，并允许最初的简单生命形式和后来的复杂生命形式在数十亿年的时间里发展。碳硅循环通过调节大气中的二氧化碳水平来促进这一过程。硅酸盐岩石被风化和沉积作用转化为碳酸盐岩，碳酸盐岩又被火山作用等因素转化为硅酸盐岩石。当硅酸盐岩石转化为碳酸盐岩时，二氧化碳从大气中被除去，而相反的过程会再次释放二氧化碳。

为了追溯长期的碳硅循环，并更好地了解控制地球气候的精确关系，研究小组研究了海洋碳酸盐中锂同位素的比例。锂只存在于硅酸盐岩石及其硅酸盐和碳酸盐风化产物中。该研究团队分析了600多个样品作为沉积物沉积在原始浅海水域，并从世界各地的100多个不同的岩层中获得，包括加拿大、非洲和中国，并利用这些样本创建了一个涵盖过去30亿年的新数据库。这些数据表明，从30亿年前到4亿年前，海洋中锂-7和锂-6同位素的比例很低，然后突然增加。正是在这个时候，陆地植物进化了，同时，海洋动物的骨骼由硅组成，如海绵和放射虫，遍布海洋。

研究结果表明，在地球的过去，黏土(由非常细小的颗粒组成的次生硅酸盐岩石)的形成程度曾发生过巨大的变化，这可能是由于陆地上黏土形成的增加和海洋中黏土形成的减少。粘土的形成是碳硅循环的重要组成部分，它影响着锂同位素的比例。在陆地上，它是由硅酸盐岩石的广泛风化造成的，但在海洋中涉及一系列不同的过程。大陆黏土形成的增加被认为降低了大气中的二氧化碳水平。相比之下，被称为“逆风化”的海洋粘土层会释放二氧化碳，因此其减少也会同样降低大气中的二氧化碳水平。

研究人员指出，这表明地球上的气候调节模式以及这一过程发生的主要地点随着时间的推移发生了巨大的变化:“从前寒武纪地球状态到现代状态的转变可能归因于主要的生物创新——海绵、放射虫、硅藻和陆地植物的辐射。”从那时起，这种气候调节的改变的结果就已经很明显了，表现为冷冰期和暖期的频繁交替。然而，这种气候的不稳定性反过来又有助于加速进化