地球系统模拟表明元古宙海洋更绿但生产力更低

当古老海洋泛起绿色光彩

想象一下，从太空俯视十多亿年前的地球，海洋不是深蓝色，而是鲜艳的绿色。该研究使用先进的气候与海洋模型来回答一个看似简单的问题：如果早期海洋充斥着微小的植物性生命但几乎没有动物来捕食它们，这会如何改变行星海域的颜色和活力？答案改变了我们对地球过去的想象，以及为动物生命出现铺平道路的环境条件。

一个没有海洋动物的世界

这里研究的时间片为元古宙，约跨越25亿到5.4亿年前。在这一时期，进行光合作用的微生物——类似于今日的蓝细菌和小型藻类——主导了海洋，而像浮游动物那样的食草动物尚未出现。地质线索表明，当时的海洋生产力（这些微生物将阳光和营养物转化为有机物的速率）低于今日但仍不容忽视。然而，它们产生了多少生物量以及这些生物量在水柱中的分布仍高度不确定。作者用一个耦合大气、海洋环流、海冰和海洋化学的完整地球系统模拟来填补这一空白，并调整为反映古大陆、较弱的阳光和低氧水平。

从表面到上层更绿的海洋

在他们的虚拟元古宙世界中，研究者去除了硅藻和浮游动物——这些群体尚未进化出来——只允许小型浮游植物和固氮微生物生长。在一系列现实的营养条件下，模型一致地在近表层产生比现代海洋更多的植物生物量。上层150米的全球平均叶绿素约为今日的1.5到2.5倍，而在最顶层的若干层中，低纬度海域的叶绿素含量甚至可超过现代值一个数量级。由于没有捕食者修剪这些藻华，上层海洋被微小植物塞满，使得模拟中的海域在几乎所有无冰且足够温暖的区域都呈现出深而持续的绿色。

为何更多植物反而意味着更少的增长

违反直觉的是，这种茂盛的绿色表面并不意味着整体上更高的海洋生产力。模型显示，元古宙海洋的全球初级生产力在暖期仅约为现代值的60%，而在更冷、更广泛结冰的状态下大约为30%。关键原因是光照。当大量叶绿素积聚在表层时，它像遮阳板一样，在阳光到达更深层并支持光合作用之前就将其吸收掉。日照充足的混光层（可光层）从今天平均约80米缩小到模拟元古宙海洋的仅30–40米。这种“自我遮蔽”意味着尽管表层水域生机勃勃，但下层昏暗的水体对全球生产力的贡献大幅减少。低氧大气下硝酸盐含量偏低以及缺乏高效的硅藻生产者也进一步限制了有机物的总体产出。

来自现代藻华与模型测试的线索

现代类比支持这一图景。今天，受大量肥料影响的沿海区域和湖泊有时会出现强烈的藻华，使水体变绿并实际上减少下层的植物生长，正是因为光在表层几米内被剥夺。移除食物网中的捕食者的实验表明，浮游植物会大量繁殖，同样导致对深层生物群落的遮蔽。作者还通过改变关键要素（如垂直混合、太阳辐照强度以及氮、磷、铁等营养物供应）对模拟进行了强度测试。在广泛且地质上合理的参数范围内，相同的模式持续存在：在缺乏强有力的食草动物时，古海洋的表面会变得更绿，而总体生产力往往低于或充其量与今日相当——除非磷含量异常高或异常低。

这对动物兴起意味着什么

对非专业读者来说，主要结论是早期地球的海洋从表面看可能更为鲜活，但总体能量预算实际上更为紧张。一层厚厚的微小植物覆盖了海洋的日照皮层，限制了光合作用能发挥作用的深度。再加上营养物匮乏和缺少像硅藻那样的高效生产者，这使得全球生产力低于现今水平。即便如此，模拟所表明的近表层繁茂的浮游植物群落与元古宙海洋中存在大量生命的化石线索是一致的。这些绿色但相对“低功率”的海洋很可能构成了氧气缓慢上升并最终促成动物生命出现的环境背景。

引用: Liu, P., Liu, Y., Dong, L. et al. Earth system simulations suggest that the Proterozoic ocean was greener but less productive. Nat Commun 17, 2854 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69654-z

关键词: 元古宙海洋, 浮游植物, 初级生产力, 自我遮蔽, 地球系统建模