地球上生態係統的穩定取決於碳循環，而碳循環又依賴於人們知之甚少的微生物生態係統。在過去的5億年中，地球上可能發生了五次生物大滅絕，每次都有超過3/4的物種從這個星球上消失。物種滅絕與地球碳循環的重大變化相關。有科學家認為，人為造成的環境變化——包括我們向大氣中排放巨量二氧化碳——可能很快就會導致第六次大滅絕。這究竟是臨危預警還是聳人聽聞？
回答這個問題的關鍵在於認識到地球物理環境和其上生命之間不斷地相互作用成為緊密耦合的係統。生命與非生命環境之間相互作用的核心即是碳循環。地表和海洋中的植物和微生物從大氣中吸收二氧化碳，通過光合作用將碳固定為生物體中的有機物。其他生物——主要是微生物，還有動物和人類——代謝有機物，將其中的碳重新釋放到大氣層中。這一過程被稱為"呼吸作用"，與光合作用正好相反。光合作用可在數草綠葉和海洋中壯觀的水藻中見到，而呼吸作用不可見，無法被很好地理解。這是因為呼吸作用在不同的地方以不同的速率進行。海洋表麵的呼吸作用相對較快，幾分鍾到幾個月不等。小部分有機質潛入海底，在那裏它們可保存千年之久。於是，隨著時間的推移，大量的有機碳聚積在海底。其中一些嵌入沉積岩中，經曆數百萬年沒有被分解。如今現代社會賴以生存的石油、煤、天然氣等化石燃料都來自這一有機碳庫。
在過去十億年中，包括多個冰河時期在內，地球上的碳循環總體保持穩定。這意味著光合作用和呼吸作用之間保持動態平衡。不過，由於海底沉積物中蘊藏著比大氣更多的碳——至少10倍以上，哪怕極微小的分解速率改變都會產生非常大的影響。碳循環改變，短時期內大量二氧化碳被釋放到大氣中， 引起氣候變暖、海洋酸化等一係列改變，最終有可能導致大規模的生物滅絕。
（地球曆史上曾發生的碳循環大事記，25億年前的微生物光合作用給地球帶來氧氣，5.4億年前大量動物在地球上出現。隨後幾次碳循環改變帶來的則是物種大滅絕。）
（白堊紀-第三紀滅絕事件是地球曆史上的一次大規模物種滅絕事件，發生於約6550萬年前，滅絕了當時地球上的大部分動物與植物，包含非鳥類恐龍在內。大部分的科學家推測，這次滅絕事件並非由單一原因造成，而是多因素共同作用的結果。撞擊事件或火山爆發將大量灰塵進入大氣層中，遮辟了陽光，植物無法進行光合作用，進而對全球各地的生態係造成影響。不過也有少數科學家認為，大滅絕是緩慢發生的，是氣候的改變將大部分物種逼上絕路。）
對恐龍滅絕的常規解釋是隕石撞擊說。白堊紀晚期，天外隕石撞擊地球，塵埃遮天蔽日的情形可能持續了數年。類似的大滅絕也與廣泛的火山活動有關。陸地和海底的火山爆發會對周邊生物帶來滅頂之災。不過，科學家們的計算顯示單純的隕石撞擊和火山爆發本身還不足以解釋所觀察到的變化——在隕石撞擊和火山爆發之外，還有其他因素促成了碳循環的變化。
科學家認為，微生物呼吸作用速率加快肯定也有參與其中，致使深海沉積物固定的碳被快速釋放。無論如何，顯而易見的證據是，在全球曆史上已有過因外界幹擾或地球本身的不穩定性引發碳循環改變，進而從而對地球生物造成影響的先例。
（碳元素在自然界中流轉，是動植物賴以生存的基礎。）
其中一個例子是發生在約25億年前的微生物光合作用興起——將地球大氣從令人窒息的無氧狀態改造成適宜生物生存的穩定狀態。這反過來為多細胞生物——包括我們人類——的出現提供條件。另一個例子是發生在二疊紀末期的滅絕，這是地球曆史上最嚴重的滅絕事件之一，滅絕的起因是大氣和海洋中碳的爆炸式增加。最近有一項研究報告將碳排放的激增歸因於一種微生物機製的快速演化，這種機製將有機質轉化為甲烷，後者是一種比二氧化碳威力更強的溫室氣體。無論在哪一種情況下，生命本身都導致——至少加速了——碳循環的破壞。其他大規模的滅絕也與碳循環的嚴重破壞有關，盡管特定的觸發機製尚不清楚。但顯而易見的是，微生物呼吸機製的微小變化可能帶來相當大的全球影響。目前人類碳排放情況是否也可能引發這種變化，使得微生物加速海洋碳庫向二氧化碳的排放？深入了解呼吸作用的機製——包括深海沉積的有機碳——對於評估下一次大滅絕的可能性至關重要。以下是科學家們對此提供的建議。
必要的研究必須著重於以下三個主要目標：
- 確定現代碳循環中控製緩慢呼吸作用的主要機製
- 查明過往大滅絕背後的機製
- 明確會導致不穩定和新平衡的條件或觸發因素
對現代碳循環來說，海洋有機碳的狀態需要重點關注。兩個碳庫至關重要：存在時間長達數千年的溶解有機碳，以存在時間長達數百萬年的沉積有機碳。碳循環的穩定與否即由這些碳庫保持穩定的期限及其分解速率的變更所決定。考慮到有機化合物的複雜程度，或者有機質如何緊密地嵌入沉積岩中，碳庫的穩定性和分解速率實難測定。借助新的工具，科學家能夠測量特定的酶如何與海水中的特定有機分子結合。科學家通過對照實驗測量微生物、有機質和礦物質如何在沉積物中相互作用。除此之外，研究者還利用高分辨率量熱儀在實驗室和自然環境下測量有機質降解速率。
（圖片顯示海洋中葉綠素的濃度，紅色越深，濃度越高。海麵的數據可經由衛星測定，但深海或海底碳庫的分解很難測量。圖：NASA/Suomi NPP/Norman Kuring）
與前文中提到的主要滅絕事件不同，曆史上也有許多碳循環的改變並沒有對生命造成大範圍的影響。其中原因是為何呢？不同時期沉寂的沉積岩記錄了環境變化的跡象，不過地史學的解釋也在不斷改變。通過采用與建立現代混沌理論所用到數學技術相似的技術，我們期望能夠明辨尋常變化與威脅性不穩定性之間的差別。在不穩定形成時，有機質的分子構成可能會發生重大變化，通過分析這些變化，我們期待能從中發現與地球碳循環不穩定相關的機製，特別是微生物生態係統快速演化的可能性。快速演化改變種群結構，改變呼吸速率，進而影響到生態係統中的所有組成部分，導致不穩定、中斷和新穩定狀態的出現。
核心的挑戰是在這些新發現的基礎上建立一個理論描述地球碳循環係統的不穩定性。將此前碳循環研究中發現的具體機製以及當下的碳循環現狀與這一理論聯係起來是一個關鍵目標。為實現這一點，需要將分子、基因組和微生物代謝信息轉化為對進化反饋的理解，正是後者導致不穩定狀態和大規模滅絕的產生。
總體而言，這項工作相當於對碳循環係統進行一次壓力測試。我們對現代碳循環的研究將提供一個基礎案例。碳循環動力學的理論模型為碳循環不穩定性的演化提供具體假說，隨後研究者會使用過往發生的極端環境事件作為樣本對假說進行測試。這一研究將為碳循環係統穩定性研究及其是否會導致第六次生物大滅絕提供明確的理解。
如何對地球碳循環進行壓力測試？
這個雄心勃勃的項目需要進行多種技能、經驗和理論的支持。縱觀整個流程，其中包括實驗室實驗確定緩慢呼吸作用的微生物途徑和分子機製，同時開發呼吸作用速率測量的新方法；隨後通過田野研究收集自然樣本並對假說進行測試；此外還需要在野外采集記錄下見證碳循環演變曆史的岩石樣本。之後對搜集來的樣本進行地球化學的分析。整個研究的結果將導致一種新的碳循環動力學理論被開發出來，人們可以使用它對不穩定風險進行定量測量。
（圖為中國眉山的沉積岩。這些岩層形成的時間橫跨二疊紀至三疊紀，記錄了導致史前大滅絕的碳循環災難，當時95%的物種從地球上消失。圖：Shuzhong Shen）
為了完成這些任務，項目執行需要大量的資源。具體來說，對現代碳循環的研究將需要約15支團隊進行室內實驗和實地調查。對過往事件的分析需要另外15支團隊進行采樣和地球化學的分析。實踐背後的理論和建模工作另需10支團隊。以單個團隊平均每年250萬美元的研發經費計算，10年研究下來將耗費10億美元。作為回報，人們獲得了對碳循環動態變化的基本了解，地球和環境科學得到革新，有能力對長遠的環境變化進行全麵且客觀的評估。這個範圍的研究顯然無法由單個政府支持，因而是具有遠見的慈善家慷慨解囊的大好機會。
將研究團隊將至半數，每個團隊每年預算100萬美元，一個為期五年的研究共需資金1億美元。這樣的努力也可能帶來重要的新概念，但是時間和資金的限製會讓研究的成果大打折扣。
譯者|孫文文
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