科学家认为，微生物的呼吸速率加快也一定参与其中，导致深海沉积物中固定的碳快速释放。无论如何，显而易见的证据是，在全球历史上，已经有过因外界干扰或地球自身不稳定导致碳循环变化，从而影响地球生命的先例。
地球生态系统的稳定取决于碳循环，而碳循环又取决于人们知之甚少的微生物生态系统。在过去的5亿年里，地球上可能发生过5次大灭绝，每次都有超过3/4的物种从这个星球上消失。物种灭绝与地球碳循环的重大变化有关。一些科学家认为人为的环境变化& mdash& mdash包括我们排放到大气中的大量二氧化碳& mdash& mdash它可能很快导致第六次大灭绝。这是迫在眉睫的警告还是耸人听闻？
回答这个问题的关键是认识到地球物理环境和其上的生命不断相互作用，成为一个紧密耦合的系统。生物和非生物环境相互作用的核心是碳循环。表层海洋中的植物和微生物从大气中吸收二氧化碳，通过光合作用将碳固定在生物体内的有机物中。其他生物& mdash& mdash主要是微生物，也有动物和人类& mdash& mdash代谢掉有机物，将其中的碳重新释放到大气中。这个过程叫做& ldquo呼吸功能& rdquo，正好与光合作用相反。光合作用可以在几片草绿色的叶子和海洋中壮观的藻类中看到，而呼吸作用是看不见的，不能很好地理解。这是因为呼吸在不同的地方以不同的速率进行。表面呼吸比较快，几分钟到几个月不等。一些有机物潜入海底，在那里可以保存数千年。结果，随着时间的推移，大量的有机碳堆积在海底。其中一部分嵌在沉积岩中，几百万年都没有分解。现在现代社会赖以生存的石油、煤炭、天然气等化石燃料，都来自这个有机碳库。
在过去的十亿年里，包括几个冰河期，地球上的碳循环基本保持稳定。这意味着光合作用和呼吸作用之间存在着动态平衡。然而，由于海底沉积物比大气含碳量多& mdash& mdash至少10倍以上，哪怕是分解率最微小的变化都会产生很大的影响。碳循环发生变化，短时间内大量二氧化碳被释放到大气中，引起气候变暖、海洋酸化等一系列变化，最终可能导致生物大规模灭绝。
(地球历史上发生的碳循环编年史。25亿年前微生物光合作用给地球带来了氧气，5.4亿年前地球上出现了大量动物。随后的碳循环变化带来了物种的大量灭绝。)(白垩纪-第三纪大灭绝事件是地球历史上的一次大规模物种灭绝事件，发生在约6550万年前，灭绝了当时地球上的大部分动植物，包括非鸟类恐龙。大多数科学家推测，灭绝事件不是由单一原因引起的，而是多种因素共同作用的结果。撞击或火山爆发会将大量的灰尘带入大气，这些灰尘会阻挡阳光，阻止植物的光合作用，从而影响世界各地的生态系统。然而，也有少数科学家认为，大灭绝发生得很慢，但气候变化驱使大多数物种灭绝。)对恐龙灭绝的传统解释是陨石撞击说。白垩纪晚期，地外陨石撞击地球，尘埃遮天蔽日数年。类似的大灭绝也与广泛的火山活动有关。陆地和海底的火山爆发会给周围的生物带来灾难。然而，科学家的计算表明，仅靠陨石撞击和火山爆发不足以解释观测到的变化& mdash& mdash除了陨石撞击和火山爆发，还有其他因素促成碳循环的变化。
科学家认为，微生物的呼吸速率加快也一定参与其中，导致深海沉积物中固定的碳快速释放。无论如何，显而易见的证据是，在全球历史上，已经有过因外界干扰或地球自身不稳定导致碳循环变化，从而影响地球生命的先例。
自然界中碳的循环是动植物生存的基础。)一个例子是大约25亿年前微生物光合作用的兴起& mdash& mdash将地球大气层从令人窒息的厌氧状态转变为适合生物生存的稳定状态。这又是一个多细胞生物& mdash& mdash包括我们人类& mdash& mdash的出现提供了条件。再比如二叠纪末的大灭绝，这是地球历史上最严重的灭绝事件之一。灭绝是由大气和海洋中碳的爆炸性增长引起的。最近的一份研究报告将碳排放的激增归因于一种微生物机制的快速进化，这种机制将有机物转化为甲烷，这是一种比二氧化碳更强大的温室气体。不管是哪种情况，生活本身都会导致& mdash& mdash至少加速了& mdash& mdash碳循环的破坏。其他大规模灭绝也与碳循环的严重破坏有关，尽管具体的触发机制尚不清楚。然而，显而易见的是，微生物呼吸机制的轻微变化可能会产生相当大的全球性影响。有没有可能目前人类的碳排放也会引起这种变化，让微生物加速海洋碳库的二氧化碳排放？深刻理解呼吸的机制& mdash& mdash包括深海沉积的有机碳& mdash& mdash评估下一次物种大灭绝的可能性至关重要。
以下是科学家的一些建议。
必要的研究必须集中于以下三个主要目标:
-确定现代碳循环中控制缓慢呼吸的主要机制
-确定过去物种大灭绝背后的机制
-确定导致不稳定和新平衡的条件或触发因素
对于现代碳循环来说，海洋有机碳的状况需要得到更多的关注。两个碳库至关重要:已存在数千年的溶解有机碳和已存在数百万年的沉积有机碳。碳循环是否稳定，取决于这些碳库保持稳定的时限和它们分解速率的变化。考虑到有机化合物的复杂性或有机质嵌入沉积岩的紧密程度，很难确定碳库的稳定性和分解速率。在新工具的帮助下，科学家可以测量特定的酶如何与海水中特定的有机分子结合。科学家通过受控实验测量微生物、有机物和矿物质在沉积物中如何相互作用。此外，研究人员还使用高分辨率热量计测量实验室和自然环境中有机物的降解速率。
(图为海洋中叶绿素的浓度。红色越深，浓度越高。海面的数据可以用卫星测量，但是深海或者海底碳库的分解很难测量。图:NASA/索米NPP/诺曼·库林)与上一篇文章提到的大灭绝事件不同，历史上有很多碳循环的变化并没有对生命造成大范围的影响。原因是什么？不同时期的无声沉积岩记录了环境变化的迹象，但地学的解释是不断变化的。通过采用与建立现代混沌理论类似的数学技术，我们希望能够区分普通变化和危险不稳定性之间的区别。当不稳定性形成时，有机质的分子组成可能发生很大变化。通过分析这些变化，我们期望发现与地球碳循环不稳定相关的机制，特别是微生物生态系统快速进化的可能性。快速进化改变了种群结构，改变了呼吸率，进而影响到生态系统的所有组成部分，导致不稳定、中断和新的稳定状态的出现。
(美国总统特朗普6月1日宣布美国退出《巴黎协定》，理由是协定内容会损害美国经济。特朗普一再公开称气候变暖是一个骗局。)核心挑战是在这些新发现的基础上建立一个描述地球碳循环系统不稳定性的理论。将以往碳循环研究中发现的具体机制和碳循环现状与这一理论联系起来是一个关键目标。为了实现这一点，需要将分子、基因组和微生物的代谢信息转化为对进化反馈的理解，从而导致不稳定和大规模灭绝。
一般来说，这项工作相当于碳循环系统的一次压力测试。我们对现代碳循环的研究将提供一个基本案例。碳循环动力学的理论模型为碳循环不稳定性的演化提供了特定的假设，然后研究人员会用过去发生的极端环境事件作为样本来检验该假设。这项研究将对碳循环系统的稳定性以及是否会导致第六次大灭绝提供清晰的认识。
如何对地球碳循环进行压力测试？
这个雄心勃勃的项目需要各种技能、经验和理论的支持。在整个过程中，包括实验室实验以确定缓慢呼吸的微生物途径和分子机制，同时开发测量呼吸速率的新方法；然后通过实地调研收集自然样本，检验假设；此外，还需要在野外采集岩石样品，记录碳循环的演化历史。之后，对收集的样本进行地球化学分析。整个研究的结果将导致碳循环动力学新理论的发展，该理论可用于定量测量不稳定性的风险。
(图为中国眉山沉积岩。这些岩层形成于二叠纪至三叠纪，记录了导致史前大灭绝的碳循环灾难，当时95%的物种从地球上消失。摄影:沈)为了完成这些任务，项目执行需要大量的资源。具体来说，现代碳循环的研究将需要大约15个团队进行室内实验和实地调查。对过去事件的分析需要另外15个小组做取样和地球化学分析。实践背后的理论和建模工作需要另外10个团队。以单个团队平均每年250万美元的研发支出计算，10年的研究将花费10亿美元。反过来，人们获得了对碳循环动态变化的基本认识，地球和环境科学得到了创新，具备了全面客观评价长期环境变化的能力。显然，这个范围的研究不可能由一个政府来支持，所以这是一个有远见的慈善家慷慨解囊的大好机会。
将有将近一半的研究团队，每个团队每年的预算为100万美元，一项为期5年的研究总共需要1亿美元。这样的努力也可能带来重要的新概念，但时间和经费的限制会使研究成果大打折扣。
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