概念圖：PETM時期北極海洋甲烷氧化路徑轉變概念圖（研究團隊供圖）

????在5600萬年前的超級變暖事件（古新世-始新世極熱事件，PETM）中，地球經歷了極端的全球變暖和海洋酸化。由于該事件與當前氣候變化存在諸多相似，一直備受科學界關注。然而，其背后的碳循環機制始終是未解之謎。9月25日，中國科學院廣州地球化學研究所與國際合作團隊在國際學術期刊《自然·地球科學》（Nature Geoscience）發表論文指出，海洋硫酸鹽濃度的微妙變化，能夠改變甲烷的消耗方式，就像一個控制全球氣候的"化學開關"

低硫海洋，甲烷命運的分水嶺

????甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，而大量的甲烷以水合物“可燃冰”的形式儲藏在海底。以往科學家擔憂海底甲烷釋放后會大量進入大氣，直接加劇全球變暖。但近年研究發現，絕大部分海底釋放的甲烷都會快速溶解在海水中，然后被各種微生物"消化"掉，很少能直接進入大氣。問題是，甲烷被"消化"的方式不同，對海洋和氣候的影響也截然不同。

????現代海洋中，約90%的甲烷會被沉積物中的微生物在無氧條件下利用，這個過程就像"慢燃發電廠"——以硫酸鹽作為"燃料"，高效轉化甲烷能源，同時產生堿性物質，緩解海洋酸化。但是，PETM時期北極海水硫酸鹽濃度不到現代的三分之一。

????"因為硫酸鹽嚴重不足，就像燃料短缺一樣，發電廠無法正常工作，甲烷只能進入海水，"項目負責人張一歌研究員解釋，"這時候，另一類喜歡氧氣的細菌開始'快速燃燒'甲烷——它們直接消耗氧氣，快速釋放CO?，就像高溫燃燒釋放大量廢氣一樣。"

"分子化石"，揭秘古代甲烷循環

????研究團隊通過檢測一種特殊的分子痕跡——化合物hop-17(21)-ene及其碳同位素組成，成功"復原"了5600萬年前的甲烷氧化過程。這些分子痕跡就像古代細菌留下的"身份證"，顯示在PETM事件后期，進行“快速燃燒”的甲烷分解細菌活動顯著增強并達到高峰。

????"通過讀取這些'身份證'，我們可以準確知道當時哪類微生物在工作，是慢燃發電還是快速燃燒，工作強度有多大，"第一作者Bumsoo Kim (金泛壽) 博士說。

北極海洋：從"吸碳"到"排碳"的逆轉

????基于海洋浮游植物分子痕跡重建的CO?濃度顯示，PETM恢復期北極海洋的CO?濃度水平比全球平均值高200-700ppm，這說明北極海洋從原本吸收二氧化碳的"海綿"變成了排放二氧化碳的"煙囪"。

????"因為海水變淡、硫酸鹽減少，甲烷只能通過'快速燃燒'的方式分解，直接制造了大量CO?，"合作作者沈佳恒研究員表示，"這從根本上改變了北極在全球碳循環中的角色，變成溫室氣體排放源"。

地質活動如何影響氣候？

????研究進一步揭示，地質活動，如地殼運動和巖石形成、大陸風化、火山噴發等，會直接影響海洋硫酸鹽含量，進而決定了甲烷分解的方式。在數億年前的中生代（恐龍時代）至數千萬年前的新生代早期的遠古海洋中，硫酸鹽含量長期較低，這一特征可能對全球碳循環和氣候產生了重要影響。

????“這就像地球系統過程控制著海洋的'燃料供應系統”，進而影響甲烷能源的利用方式和整個氣候系統，"張一歌研究員強調。

現代啟示：北極甲烷的未來

????隨著現代北極海洋快速變暖和淡化，類似的甲烷氧化機制可能被再次激活。該研究提醒我們：當北極海水變淡、化學環境改變時，可能重演5600萬年前的故事——甲烷從高效利用轉向快速燃燒，需要密切關注這一區域的變化。

????該研究得到了中國科學院、中國科學院廣州地球化學研究所啟動資金，國家自然科學基金委 (編號：42220104003、42488201) 等項目資助。國際大洋發現計劃 (IODP) 提供了樣品及相關的數據。研究團隊將繼續深入研究地球系統過程對生物地球化學循環的控制機制。

????文章發表后，獲得包括新華社、人民日報、China Daily、參考消息、半月談、科技日報、南方Plus、新快報、新華網、新浪網、科學網、中科院之聲等多家媒體的廣泛關注和報道。

相關論文信息：Bumsoo Kim (金泛壽), Yi Ge Zhang (張一歌), Richard Zeebe and Jiaheng Shen (沈佳恒), Arctic CO₂?emissions amplified by aerobic methane oxidation during the Palaeocene–Eocene Thermal Maximum, Nature Geoscience, 18, 975-982， https://doi.org/10.1038/s41561-025-01784-3。