全面了解地球的化学循环，可以揭示地球如何保持宜居状态

我们都知道地球很特别，但我们可能没有完全意识到我们在这个星球上拥有它有多好。与它的行星邻居不同，地球在数十亿年的时间里一直适合居住，这要归功于复杂、不断变化的元素之舞。

芝加哥大学、莱斯大学和加州理工学院的研究人员进行的一项研究揭示了生物地球化学循环的微妙平衡，这些平衡使地球保持温和、水润和繁荣。

海洋、大气和陆地之间的元素循环在保持气候稳定方面发挥着作用，但它是如此复杂，以至于科学家通常会将整体的各个部分隔离开来，以试图更好地掌握它们的工作原理。然而，这项新研究于3月13日发表在 《美国国家科学院院刊 》上，提供了一种不同的方法。相反，研究人员提供了一个广泛而简化的观点，使用一套新的数学工具来阐明以前难以发现的不同化学循环之间的关系。

“我们的方法提供了一种新的方法来识别地球气候化学成分中稳定性的基本组成部分 – 由于元素在海洋，大气和岩石储层中的运动，气候可以在地质时间内稳定的基本方式，”芝加哥TC张伯伦博士后研究员Preston Cosslett Kemeny说，该论文的第一作者。

“这是一种优雅，简化的方式来思考一个巨大的问题，它将许多以前关于元素循环的研究组织成可以平衡和理解的化学反应包，”芝加哥大学助理教授Clara Blättler说，他是该论文的资深作者。

周期和气候

我们常常理所当然地认为，地球已经支持了数亿年的复杂生命。但这种稳定性肯定不能得到保证——人们只需要看看隔壁的火星和金星，它们是由与地球大致相同的材料形成的，但目前甚至不支持液态水。地球的秘密是什么？

一个关键方面是化学循环。碳、硫和钙等元素在陆地、海洋和大气之间移动，使地球表面的条件在数亿年中保持相对稳定。例如，科学家们认为，地球的温度在一定程度上是由碳在海洋、大气和陆地之间逐渐来回移动来维持的。当二氧化碳在大气中积聚并加热表面时，它会导致岩石更快地分解——将碳移动到海洋中，然后进入海底的岩石。在数百万年的时间里，随着碳被吸出大气层，地球逐渐冷却下来。

解开这些循环是几十年来的工作。这是具有挑战性的，因为周期持续了数百万年，无休止地变化，发生在整个地球上，并且不断相互作用。它是如此复杂，以至于科学家通常只检查整个图片的各个部分 – 通常考虑有限数量的元素循环或它们相互作用的一小部分。 但是，当拼图的碎片缺失时，研究人员必须做出假设来填补空白。

Kemeny想知道，这种工作方式是否会使生物地球化学相互作用如何引起行星稳定性的整体情况变得模糊。

他与布莱特勒、莱斯大学的马克·托雷斯和加州理工学院的伍德沃德·费舍尔一起后退了一步。他们进行了数学分析，其中他们考虑了包括主要化学循环在内的各种化学反应，但没有具体说明这些循环如何或多少相互作用。

其结果是一个框架，该框架确定了平衡地球碳循环及其相互关系的所有主要和次要反应组合 – 这是该领域所缺少的。以这种方式观察，地球的气候可以用一组相互关联的化学方程式来表示，这些方程式必须在一定的时间段内保持平衡。

作者说，随着科学家继续研究地球的历史以及气候如何随着时间的推移而变化，他们的工作是有用的。

“例如，假设你正在考虑一个关于为什么过去气候变化的假设 – 例如过去6500万年的重大降温，”Kemeny说。“你可以用这个框架来说明：如果X过程增加或减少，那么它也应该导致Y的发生，或者需要由Z来平衡，并且你必须考虑这些结果 – 所以通过这个预测，我们可以寻找整个地球化学系统联合运作的证据。

当从鸟瞰图中观察时，化学循环之间的其他关系会变得可见。“例如，这项分析确定了一种新的方法来平衡海洋 – 大气系统中的碳通量，同时积累大气中的氧气，”Kemeny说。

总的来说，“我们希望这是一种帮助理解使地球成为生命进化安全场所所涉及的所有化学物质的美好方式，”Blättler说。

引文：“生物地球化学循环中的平衡和不平衡反映了封闭、交换和开放集合的运作。Kemeny、Torres、Fischer 和 Blättler，《美国国家科学院院刊》，2024 年 3 月 13 日。

资助： TC Chamberlin 奖学金、美国国家科学基金会地球科学博士后奖学金。