1500万年前巨型蛋壳中的氧原子揭示了植物如何应对更热的地球
现代纳米布沙漠至少干旱了1500万年，那时鸵鸟的灭绝亲戚产下了它们的蛋，这些蛋就像古老空气的时光胶囊。图片来源：JP Koch/红色沙丘探险
（化石网cnfossil.com）据《对话》（作者：文森特·黑尔）：地球历史上的某些时期与我们现在截然不同，几乎可以说是属于另一个星球。许多人对恐龙时代或冰河时代感兴趣，但许多科学家对一个中间世界——中新世。
到中新世初期，恐龙已经灭绝了4000万年。大陆大致处于现在的位置，但我们的古人类祖先并未从树上下来。
那是我们的星球，紧接着人类出现——一眼就能认出来，但也只是勉强。
在中新世中期，大约1700万至1500万年前，大气中的二氧化碳浓度略高于今天。那是一个温室效应盛行的时期：全球气温比现在更暖，海平面更高，极地冰盖中水还未完全封闭。
这为未来全球变暖可能对地球呈现的有趣画面描绘了一幅有趣的画面。
科学家重建过去条件的一种方法是分析保存在古代化石中的同位素——原子的变异形态。每种同位素的比例根据其封存的条件略有不同，使化石成为一种分子时间胶囊。
植物吸入二氧化碳并产生氧气，但在此过程中它们优先吸收某些同位素，从而改变了大气中剩余的比例。鸟类通过呼吸和进食吸收这些氧气，将这些比例锁定在蛋壳的矿物质结构中。
我与我的合著者、同位素专家德雷克·亚里安最近一起，从已灭绝巨鸟产下的蛋壳中提取了氧气，这些蛋壳埋藏于现今的纳米布沙漠——世界上最古老的沙漠，绵延2000公里（1240英里），横跨安哥拉、纳米比亚和南非。
我们这样做是为了了解植物在较暖的中新世期间如何积极处理二氧化碳，以及这能告诉我们未来气候变化的哪些信息。
我们的研究开发了一种基于激光的技术，可以直接测量化石蛋壳中古代氧原子的微小变化——这些材料远比冰芯能触及的材料还要古老——所需的材料比以往尝试少了10倍。我们的研究成果发表在《地生与宇宙纪事报》期刊上。
大多数预测显示，未来几十年内，地球大气中的温室气体水平将达到甚至超过中新世时期的水平。因此，研究中新世有助于我们预示未来气候变化的可能。
植物如何应对数百万年前气候变暖
作为科学家，我们关注的是为什么过去二氧化碳（CO₂）水平比现在高，以及陆地上的植物和树木是如何反应的。像我们这样的科学家尤其关注植物在地球变暖过程中二氧化碳增加的反应速度。这一率被称为初级生产率。
变暖和二氧化碳浓度上升会刺激植物生长——随之而来的是大气中碳的吸收——但同时也会加速植物物质的腐烂，释放碳回流。这些对立过程之间的平衡决定了陆地表面是减缓气候变化还是加速了气候变化。
从最严格的定义中，需要测量和称重地球上所有植物物质，包括海洋中的植物物质，以确定初级生产力。即使是最先进的卫星也无法探测到每一片叶子，探测深层土壤，也无法回到1500万年前。相反，科学家们依赖间接方法，开发替代方法来记录地球生物圈曾经的活跃程度。
在化石中解锁时间胶囊
化石蛋壳保留了矿物结构中的氧原子，记录了鸟类活着时的大气状态。我们的任务是释放氧气并测量其同位素的变化。
我们感兴趣的是这种化石矿物中锁住的氧气，尤其是一种罕见的形式——氧-17。为了测量它，我们用酸从蛋壳中释放出它，释放了在坚硬岩石中结合了1500万年的氧气。
氧有三种稳定形式：常见的氧-16、较重的氧-18和极为罕见的氧-17。如果空气中的原子是城市中的人，氧-16会充满街道，氧-18充满体育场，氧-17则难以填满通勤列车。大约每4000个氧原子中，只有一个是氧-17。
氧-17的另一个显著特征是它能在地球高层大气中分子间轻松转移。在那里，臭氧和阳光的反应会将氧-17重新分配到二氧化碳中，而二氧化碳中氧气更常见。风将这些物质在地球周围混合，直到植物在光合作用过程中去除多余的物质。
在植物生长旺盛期，植物会从空气中去除更多的二氧化碳和¹⁷O，使我们呼吸的氧气和食物中的氧气略微减少。¹⁷O的变化有助于揭示当时植物处理二氧化碳的速度。
动物通过呼吸、进食和饮水吸收的氧气被封存在化石中。因此，通过测量化石牙齿和蛋壳中的氧-17，科学家们能够重建初级生产力之后的存在，反映出生物圈曾经多么积极地吸收二氧化碳，从而在当时缓冲或增强了气候的程度。
虽然冰芯提供了测试这一观点的方法，但它们的历史仅有几十万年，且长期以来由于其中极少的氧-17含量，将方法扩展到化石上一直受限。新的激光技术现在克服了这一问题，能够更快地在微小样品中检测到氧-17，且破坏的物质远少于此。
我们发现了什么
我们在2020年第一次COVID-19封锁期间建造了原型仪器，并花了三年时间测量蛋壳化石。
通过数十次测量，我们发现了一个令人惊讶的结果。大约1500万年前，生物圈的活动减缓，植物吸收二氧化碳的活跃度可能比现在低约40%。
这些是初步结果。将化石中氧-17与全球碳循环联系起来的模型仍在完善中，独立实验室需要对我们的发现进行复现。这类科学进展缓慢，因为仔细核查至关重要。
然而，其影响非常紧迫。如今，植物和土壤吸收了人类活动排放的约三分之一的碳排放。随着地球持续变暖，了解植物如何应对二氧化碳上升变得至关重要，因为这决定了气候变化的速度。
地球从中新世温暖的温室环境冷却到我们祖先进化的更冷世界，花了数万个人类的一生。
仅仅几代人，人们通过工业活动和土地利用方式的变化，扭转了这一局面。通过探测化石中被困的原子，我们可以为地球的过去带来新的启示，也许能更好地理解眼前正在展开的未来。
出版信息
Vincent J. Hare 等，蛋壳碳酸盐中的三重氧同位素作为晚新生代二氧化碳和初级生产力的代理，Geochimica et Cosmochimica Acta（2025）。DOI： 10.1016/j.gca.2025.04.002
