古生代大规模灭绝与气候变化期间海洋中反复出现的磷峰

古海与溺亡海洋之谜

远在恐龙出现之前，地球海洋经历了大规模的生物死亡，抹去了大部分海洋物种。科学家长期怀疑突发的营养物质磷的激增在这些危机中起了推动作用，但一直缺乏直接检验古海水真实状况的方法。本研究开发并应用了一种化学“时间胶囊”于古老岩石，揭示了与两次最早期的大灭绝和气候剧烈波动相对应的短暂却强烈的磷峰。

埋藏在古海泥与岩石中的线索

研究者将注意力集中在古生代早期的两次大灭绝：大约4.45亿年前的晚奥陶世事件和大约3.72亿年前的晚泥盆世事件。每次灭绝都消灭了约80%的海洋生物，并与显著的全球变冷和海洋含氧变化相关。为了探究营养物质的作用，团队测量了封存在碳酸盐矿物中的微量磷——称为碳酸盐相关磷（CAP）。由于海水中的磷以与浓度成比例的方式被吸收进生长的碳酸盐中，CAP可作为记录岩层形成时营养水平的化学快照。

跨全球的短时营养爆发

团队采样了分布于古大陆七个岩层剖面，包括加拿大、爱沙尼亚、华南、西澳大利亚和内华达等地。尽管岩性和局部条件各异，CAP记录均显示出相同模式：被锋利、短暂的磷峰打断的温和基线磷水平。在晚奥陶世事件中，一次明显的磷峰出现在第二次且更严重的灭绝脉冲开始之时。在晚泥盆世事件中，两次磷峰夹在主要死亡期之前和之后。这些遍布遥远地点的磷峰一致性表明它们反映的是全球海洋的变化，而非沉积特征或后期改造的局部异常。

将营养物、缺氧与全球变冷联系起来

为理解这些磷爆对地球系统的含义，科学家将其输入一个模拟营养、碳、氧与气候在数百万年尺度上相互作用的计算模型。在模型中，进入海洋的额外磷促进了藻类快速繁茂。当这些有机物下沉并分解时，会消耗氧气，扩大海底的低氧区。与此同时，更多有机物被埋藏于沉积物中，锁存碳并逐渐降低大气中的二氧化碳。结果是更广泛的海洋缺氧和约几度的全球变冷，与铀与氧同位素证据以及富有机质黑色页岩的独立记录相符。

古海中不同的致死节律

磷脉冲的时间顺序揭示了这些危机如何展开的更细致图景。在晚奥陶世，第一次灭绝脉冲发生在磷水平仍然较低的时候，这表明冰川性变冷与海平面下降是早期主要的致死因素。较大的磷峰随后出现，并与更强的含氧损失迹象以及第二次灭绝脉冲相对应，那时底栖生物与远洋生物都遭受重创。相比之下，在晚泥盆世，上升的磷与扩大的低氧区在第一次珊瑚礁危机期间就已开始，并在主要破坏造礁者、有壳动物和自由游动鱼类的灭绝前达到峰值。随后出现的第二次磷激增显然延长了恶劣条件并减缓生态系统的恢复，即便未伴随新的灭绝高峰。

为何这段古老历史对今天仍然重要

总体而言，这项研究提供了首个全球性、定量的证据，表明短暂的磷激增多次将古海推向缺氧、气候变冷与生态崩溃的边缘。结果表明，营养物质是强有力的放大器而非简单的开关，它们有时与变冷和海平面变化共同作用，有时决定恢复节奏。通过阐明海洋生物对相对短暂的营养冲击有多敏感，这些古代事件为现代近海死区与人类驱动的海洋营养负荷提供了一个值得警醒的类比。

引用: Dodd, M.S., Li, C., Zhang, Z. et al. Recurring marine phosphorus spikes during major palaeozoic mass extinctions and climate change. Nat Commun 17, 4481 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70701-y

关键词: 磷循环, 海洋缺氧, 大灭绝, 古海洋学, 全球变冷