碳的逃逸路径

我们很多人可能还记得小学科学课上讲过，地球的碳循环是这样的:当植物吸收二氧化碳并将其转化为有机碳时，它们将氧气释放回空气中。像我们这样的复杂生命形式吸入氧气并呼出二氧化碳。当微生物侵蚀腐烂的植物时，它们也消耗植物体内的碳，并将其转化为二氧化碳释放回大气。如此循环往复。

在光合作用和呼吸作用的驱动下，地球上绝大多数的碳循环不断地通过这个循环。然而，有一小部分有机碳不断地通过循环中的“泄漏”逸出，其原因在很大程度上尚不清楚。科学家们确实知道，通过这次泄漏，一些微量的碳被不断地锁起来，并以岩石的形式保存了数亿年。

现在，来自麻省理工学院和其他地方的研究人员发现了可能导致碳缓慢而稳定逸出路径的证据。

在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究小组报告说，有机碳从碳循环中泄露出来，主要是由于他们称之为“矿物保护”的机制。“在这个过程中，碳以植物和浮游植物物质的分解碎片的形式附着在粘土和其他矿物质颗粒上，例如在河流或海洋的底部，并以沉积物的形式保存下来，最终形成岩石。

矿物保护也可以解释为什么地球上有氧气:如果有什么东西导致碳从碳循环中泄漏出来，就会留下更多的氧气在大气中积累。

麻省理工学院地球、大气和行星科学系的地球物理学教授Daniel Rothman说:“从根本上说，这个微小的泄漏是我们存在的原因之一。”“这是让氧气在地质时期积累的原因，也是好氧生物进化的原因，这与地球上的生命史息息相关。”

罗斯曼论文的合著者包括乔登·海明威(Jordon Hemingway)，他是麻省理工学院(MIT)和伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)的研究生，现在是哈佛大学(Harvard University)的博士后，与凯瑟琳·格兰特(Katherine Grant)、萨拉·罗辛格德(Sarah Rosengard)、蒂莫西·埃格林顿(Timothy Eglinton)、路易斯·德里(Louis Derry)和瓦利埃·加利(Valier Galy)一起领导了这项研究。

燃烧的污垢

对于碳是如何从地球的碳循环中泄露出去的，科学家们有两种主要的可能性。第一个与“选择性”有关，即某些类型的有机物，由于其分子组成，可能比其他类型的有机物更难分解。基于这一想法，根据初始有机物的分子结构，“选择”了未被消耗的碳，并因此泄漏出去。

第二种可能性涉及“可获得性”，即一些有机物从碳循环中泄漏出来，因为它们通过一些次级过程变得不可获取。一些科学家认为，二次过程可能是矿物保护——有机碳和粘土基矿物之间的相互作用，将两者以一种不可接近的、不可消耗的形式结合在一起。

为了测试哪一种机制能更好地解释地球的碳泄漏，海明威分析了从世界各地收集的沉积物样本，每个样本都含有来自河流和沿海环境的有机物和矿物质。如果矿物保存确实能在地质时间尺度上锁住和保存碳，海明威假设与粘土矿物结合的有机碳在环境中比未结合的碳更持久，能抵抗微生物的破坏，甚至能抵抗极端高温等其他力量。 

研究人员通过燃烧每个沉积物样品，并测量在逐渐升高的温度下加热样品时残留的有机碳的数量和类型来验证这一观点。他们使用的是海明威博士论文中的一个装置。

海明威说:“有一种假设是，附着在矿物表面的有机物在环境中停留的时间会更长。”“但从来没有直接量化的工具。”

“敲打自然过程”

最后，他们发现，那些持续时间最长、经受住最高温度的有机物与粘土矿物结合在一起。重要的是，在一个与选择性相反的发现中，有机物的分子结构是什么并不重要——只要它与粘土结合，它就会被保存下来。

结果表明，地球碳泄漏的主要机制是可接近性，特别是矿物的保存。换句话说，在世界各地，粘土矿物正在缓慢而稳定地吸收少量的碳，并将其储存数千年。

海明说:“这种粘土结合的保护机制似乎是一种机制，它似乎是一种全球一致的现象。”“这是一个缓慢的泄漏，每时每刻都在发生。当你在地质时间尺度上把它整合起来，它就变成了一个非常重要的碳汇。”

研究人员认为，矿物保护使大量的碳储存在地下成为可能，其中一些在数百万年的时间里被压缩和加热成石油。按照地球的地质节奏，这些保存在岩石中的碳最终会通过山脉隆起重新浮出水面，并逐渐被侵蚀，释放出的二氧化碳会非常缓慢地回到大气中。

罗斯曼说:“我们今天对化石燃料的燃烧正在加速这一自然过程。”“我们正在把它从地下挖出来，然后马上烧掉，我们正在改变泄露出去的碳被送回系统的速度，改变几个数量级。”

矿物保护能否以某种方式被用来吸收更多的碳，从而减轻由化石燃料引起的气候变化?

Rothman说:“如果我们有神奇的能力从河流或海洋中提取一小部分有机物，并将其附着在一种矿物上，使其保持1000年，这可能会有一些优势。”“这不是这项研究的重点。但土壤能锁住有机物的时间越长，它们返回大气的速度就越慢。你可以想象，如果你能把回报的过程稍微放慢一点，在10到100年的时间里就会有很大的不同。”

这项研究在一定程度上得到了NASA和美国国家科学基金会的支持。