海洋没有氧气

由于没有溶解氧来维持动植物的生存，海洋缺氧区是指只有适合环境的微生物才能生存的区域。

加州大学圣巴巴拉分校的生物地球化学家摩根·雷文说:“你不会钓到大鱼。”“你甚至不会看到有魅力的浮游动物。但是，她说，尽管缺氧的海洋对像我们这样呼吸氧气的生物来说可能是陌生的，但它们充满了生命。

由于气候变化，这些奇怪的生态系统正在扩张——这一发展让渔业和任何依赖富氧海洋为生的人都感到担忧。但是，让瑞文感兴趣的是海洋——地球上最大的碳汇——不断变化的化学成分，以及海洋如何将大气中的碳转移到岩石等长期储层。

“当我们得到这些大片的无氧海洋时，我们的碳循环会发生什么变化?””她说。这个问题是Raven和他的同事Rick Keil(华盛顿大学)和Samuel Webb(斯坦福线性加速器实验室)在《科学》杂志上发表的一篇论文中的研究中心。

在富氧的海洋中，碳在很大程度上是通过食物网过程来移动的，开始于固定二氧化碳的浮游植物，它们在水面进行光合作用。

雷文说:“大多数时候，它们只是被浮游动物吃掉。”但如果它们没有被大型动物吃掉，它们就会游到深处，在那里它们呼吸二氧化碳，排泄有机碳。

Raven说:“这就像一个旋转的轮子，二氧化碳流向浮游生物，流向二氧化碳。”

她说，在没有浮游动物和鱼类的情况下，更多下沉的有机碳可以存活下来，并沉积在深海。事实上，在这些缺氧区的沉积物通常比富氧的沉积物有更多的有机碳沉积。但是，根据研究人员的说法，我们对这是如何发生的缺乏“完整的机械理解”。

“这一直是个谜。”Raven说。

十年前，南丹麦大学的地质学家唐•坎菲尔德和他的同事们提出了一种假说，该研究小组对此确实有线索。

雷文说:“他们提出了这样一种想法，也许在这些区域内，微生物仍然在吃有机碳，但呼吸硫酸盐。”这种被称为“隐硫循环”的想法在很大程度上很难被接受，因为这种微生物硫酸盐还原(MSR)的产物很难被检测到，而且该领域的其他化合物，如硝酸盐，更有利于新陈代谢。

然而，根据这项研究，“有新的分子和地球化学证据表明，MSR可能发生在(缺氧区)，尽管有充足的溶解硝酸盐。”

研究人员从东热带北太平洋缺氧区(大约位于墨西哥西北海岸)收集颗粒，测试这个神秘的过程是否隐藏在快速下沉的大型(1毫米)有机颗粒中。

“它真的只是一种聚合的粘性物质，”Raven说，这些物质主要是死去的浮游植物、粪便、其他小生物和沙子和粘土的聚合，它们被粘在一起形成一个“蓬松”的基质。收集这些粒子本身就是研究人员在浩瀚的海洋中寻找相对较小的弥散粒子的一项成就。

她说:“我在华盛顿大学的同事们有这个收集设备，这真的是让这一切成为可能。”收集的粒子被送到斯坦福同步辐射光源进行分析。

盐渍浮游植物
分析的结果，例如样品中有机硫产生的证据，证明了Raven所说的死亡浮游植物在下沉通过缺氧区域时的“酸洗”。

“浮游植物生长在海洋表面，但由于重力的作用，它们会下沉，”她说。当它们穿过缺氧区时，这些有机聚集体将经历硫化，这具有保护核心碳不受酶或其他物质侵蚀的效果。

雷文指出:“即使它到达了沉积物，那里的细菌也不能吃这些有机颗粒。”她说，就像我们所熟悉和喜爱的泡菜一样，保存过程使有机颗粒能够抵抗细菌，这可以解释为什么在缺氧的海洋区域下面的沉积物中会发现更多的有机碳。

瑞文解释说，虽然最近在现代海洋中得到证实，但在缺氧的海洋中，有机碳颗粒的硫化作用实际上是一个古老的过程。

“这是同样的过程，也可以制造石油，”她说，并指出哪里有油层，哪里就有硫。这一过程可能在白垩纪(1.455亿至6550万年前)广泛存在，当时地球一直处于热带气候，海洋遭受地质和大规模灭绝事件的影响，导致大量碳被掩埋，整个大西洋处于缺氧状态。

瑞文说:“我们不知道的是，在这些不那么极端的现代环境中，这种情况是否也会发生。”

有待观察的是，这些日益增长的缺氧区将如何与气候变化相互作用。

瑞文说:“随着这些区域的扩张，可能会产生负反馈——大气中更多的二氧化碳会导致更高的温度，从而使这些区域更大。”“这些更大的区域会捕获更多的二氧化碳，并将其放入沉积物和岩石中。随着时间的推移，这种反馈可能有助于地球平衡自身的碳循环，她说，“但我们需要知道这种反馈是如何与其他一切联系起来的。”