麻省理工學院教授稱，海洋將在2100年驅動第六次大規模物種滅絕

在過去的 5.4 億年里，地球經歷了五次大規模的滅絕事件，而每次事件都包含一個大氣和海洋中的循環碳由正常變混亂的過程。這些致命的碳循環變動，在時間尺度上分布在數千到數百萬年之間，並與全球海洋物種大滅絕事件的發生相吻合。

科學家們目前需要回答的一個問題是，當前的碳循環是否正在經歷一個大的波動，以及它是否有可能引發第六次地球物種大滅絕事件。

目前，麻省理工學院的（地球與大氣與行星科學系）地球物理學教授，兼洛倫茲中心聯合主任 Daniel Rothman 分析了過去 5.4 億年間的碳循環變化（包括五次滅絕事件發生前後），並在研究中確定了一些「災難閾值」。如果特定指數超過這些閾值，便意味著一個不穩定的環境將會出現，並最終導致物種大滅絕事件發生。

Rothman 在《Science Advances》雜誌發表的一篇論文指出，如果如下的兩個閾值之一被越過，就會發生大滅絕事件：1、對於在長時間尺度上發生的碳循環變化，如果變化的速度快於全球生態系統的適應速度，便會導致滅絕事件發生。2、對於在較短時間尺度上發生的碳循環變化，變化的速度將不重要，變化的量級將決定滅絕事件發生的可能性。

Rothman 認為，由於近期二氧化碳的排放量在較短的時間內出現上升，第六次滅絕事件是否發生，將取決於我們是否會向海洋添加足以超過臨界值的碳排放。 Rothman 估計，該臨界值約為 3100 億噸（增加的碳排放），大概相當於到 2100 年時因人類活動將增加至海洋的碳排放量。

圖丨麻省理工學院教授 Daniel Rothman

這是否意味著大滅絕事件將在本世紀結束後不久就發生？ Rothman 認為，這個過程需要時間 ——需要大約 1 萬年 ——這樣的生態災難才會被表現出來。但Rothman 同時表示，到 2100 年時，世界的命運將可能會踏入一個「未知的領域」。

Rothman 說：「我並不是說滅絕明天就會發生，而是如果我們再不加以控制，碳循環就將變得更加不穩定，並難以預測。從地質意義上來看，這種情況與大滅絕事件的發生有著很強的相關性。」

圖丨中國梅山沉積岩——其中包含著地球生物大滅絕前的混亂碳循環特徵

歷史變化符合理論預期

Rothman 曾研究過二疊紀的滅絕事件，這是地球歷史上最嚴重的滅絕事件。在研究工作結束後，Rothman 與同事的對話促使他考慮到第六次滅絕事件發生的可能性，並提出了一個基本問題：「如何才能將過去發生於如此廣的時間尺度之上的這些重大事件與當今（僅幾個世紀的時間廣度）的情況作對比？」 Rothman 說：「我曾用一個夏天試圖想出一個系統的做法。」

Rothman 最終得出了一個基於物理原理的簡易數學公式，公式將碳循環中的臨界速率和分離變化幅度快慢的時間尺度相聯繫。Rothman 認為該公式應該能預測未來的大規模滅絕事件或其他類型的全球性災難。

之後，Rothman 開始驗證歷史是否遵循他的假設。通過搜索數百份已發表的地球化學文獻，他在過去 5.442 億年中確定了 31 個地球碳循環發生重大變化的事件。Rothman 注意到，對於每次事件（包括五次大滅絕），碳的變化在地質記錄中表示為兩個同位素碳 12 和碳 13 的相對丰度的變化。此外，他還注意到了變化的持續時間。

然後，他設計了一個數學轉換方法，將相關的量轉化為在每次事件的時間區間內添加至海洋的碳排放量，並以此繪製了每個事件的碳量和時間尺度的「對照圖」。

Rothman 說：「很明顯，事件間存在著有一個獨特的變化率。

換句話說，Rothman 發現了事件的一個共同閾值，而 31 個事件中的大多數似乎並未越過這個閾值。雖然這些事件涉及碳循環的重大變化，但它們相對較為溫和，不足以破壞生態系統。相比之下，五次大滅絕事件中有四次超過了該閾值，其中最嚴重的二疊紀滅絕事件是超出最多的一次。

羅斯曼說：「我們必須弄清楚它到底意味著什麼。」

隱藏的「碳泄漏」

經過進一步的研究，Rothman 發現災難的臨界率與地球自然碳循環中的一個隱藏過程有關。碳循環本質上是光合作用和生物呼吸之間的循環。通常，循環中會存在一種「泄漏」，會有少量的有機碳沉入海洋底部，隨著時間的推移被埋藏成為沉積物，並與碳循環相隔絕。

Rothman 還發現，臨界率相當於堵塞泄漏造成的二氧化碳過剩產率（the rate of excess production of carbon dioxide）。任何被額外注入循環的二氧化碳不能被循環本身所解釋，而一個或多個類似的這種過程會使碳循環變得不穩定。

之後，Rothman 確定了臨界率（critical rate）僅適用于海洋碳循環在波動後可以重建平衡狀態的時間尺度之外。目前，該時間尺度約為 1 萬年。而對於更短的事件，臨界閾值不再與將碳添加到海洋的速率有關，而是與添至海洋中的碳排放總量有關。這兩種情況都會使過量的碳在海洋和大氣中循環，並有可能導致全球變暖和海洋酸化。

世紀的極限

根據臨界率和循環保持平衡的時間尺度，Rothman 計算出，當今的碳排放臨界值約為 3100 億噸。

Rothman 將該臨界值與政府間氣候變化專門委員會（IPCC，Intergovernmental Panel on Climate Change）最近一份報告中的「到 2100 年時的多增加的碳排放總量（報告中預計該數值為5000億噸）」進行了比較 。在報告中，從已經有法律約束的到還沒有相關立法的，IPCC 列舉了四個可能的二氧化碳排放途徑。

在最好的情況下，到 2100 年人類將向海洋增加排放 3000 億噸的碳，而在最壞的情況下，人類屆時將向海洋增加排放超過 5000 億噸的碳，遠超臨界閾值。

Rothman 表示，不管是哪種情況，到 2100 年時，增加到碳排放量都將接近或超過臨界閾值。

Rothman 說:「應該有辦法拉回二氧化碳的排放量。但這項研究指出了我們需要開始警惕的理由，以及研究過去環境變化對現代環境發展的重要性。」

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