深海密码，海洋生命的源泉，揭秘海洋氮循环的千年演变

探索地球历史中的海洋氮循环：从微生物到大规模灭绝

海洋，覆盖了地球表面约71%，是孕育生命的摇篮。而海洋生物地球化学氮循环，正是驱动海洋生态系统运转的核心引擎。氮元素，作为生命体蛋白质和核酸的重要组成部分，其在海洋中的循环过程深刻影响着海洋初级生产力、生物多样性以及气候变化。

一项新的研究详细探讨了地球海洋氮循环在过去约40亿年中的演变过程。通过稳定氮同位素和其他代理指标，揭示了氮循环如何响应并可能调节生命的出现、氧化事件、重大气候扰动和大规模灭绝事件。

在生物氮固定出现之前，生物可利用的氮主要通过闪电、光化学反应、陨石撞击和热液活动等非生物过程产生。这些过程提供了足够的氮氧化物和铵盐，支持了早期小型生物圈的存在。

微生物氮固定的出现极大地扩展了生态系统。新元古代（约10亿至5.41亿年前）海洋硝酸盐储库的建立，可能使真核藻类在海洋初级生产力中占据主导地位。

在显生宙（约5.41亿年前至今），氮循环经历了与冰室-温室条件相关的100百万年尺度的转变。大规模灭绝和缺氧事件期间，氮循环发生了短暂的扰动，这些事件与进化变化、气候极端和海洋停滞有关。

研究表明，氮循环与地球和生命的演化息息相关，并强调了氮循环如何响应并可能调节了地球历史上的重大事件。尽管这项研究提供了丰富的历史视角，但陆地生物圈对全球海洋氮循环的影响仍未得到充分解决。未来的研究应关注营养物质可用性的时空趋势，以解答地球历史上的开放问题。

总之，海洋氮循环是地球系统中一个极其复杂而重要的过程。通过深入研究海洋氮循环，我们可以更好地了解地球的过去、现在和未来，为保护海洋生态系统、应对气候变化提供科学依据。

参考文献：Eva E. Stüeken, Alice Pellerin, Christophe Thomazo, Benjamin W. Johnson, Samuel Duncanson & Shane D. Schoepfer ，Marine biogeochemical nitrogen cycling through Earth’s history. Nature Reviews Earth & Environment, Published online: 24 September 2024; doi:10.1038/s43017-024-00591-5 

一、什么是海洋氮循环？海洋氮循环与磷循环有什么关系？

海洋氮循环是指氮元素在海洋生态系统中不断循环的过程。氮是构成蛋白质和核酸的重要元素，对于海洋生物的生长和繁殖至关重要。

氮循环的主要过程包括大气沉降、固氮作用、硝化作用、反硝化作用等。

• 大气沉降： 大气中的氮气通过雷电等方式转化为硝酸盐等可利用形式，进入海洋。
• 固氮作用： 一些海洋细菌能够将大气中的氮气转化为氨，供植物利用。
• 硝化作用： 氨被细菌氧化为硝酸盐。
• 反硝化作用： 在缺氧条件下，硝酸盐被还原为氮气返回大气。
• 同化作用： 浮游植物吸收硝酸盐和氨，将其转化为有机氮，并通过食物链传递给其他海洋生物。

海洋氮循环和磷循环是紧密相连的两个生物地球化学循环，它们共同影响着海洋的初级生产力、生物多样性以及生态系统的稳定性。氮和磷是海洋初级生产力的主要限制性营养元素。在许多海域，氮和磷的相对含量决定了浮游植物的生长速率。氮和磷的比例会影响浮游植物的种类组成和群落结构。例如，当氮相对过剩时，蓝藻等固氮生物会大量繁殖，可能导致水华。人类活动如农业施肥、工业排放等，导致大量氮和磷进入海洋，引发赤潮等生态问题。

雷德菲尔德比率（Redfield ratio）是指海水中硝酸盐氮与磷酸盐的摩尔比，不同雷德菲尔德比率（Redfield ratio）对生态系统的影响不同。红场比较高， 氮相对过剩，可能导致蓝藻水华。雷德菲尔德比率（Redfield ratio）较低， 磷相对过剩，可能导致硅藻等其他浮游植物的生长。

海洋氮循环和磷循环是相互关联的，共同影响着海洋生态系统的健康。了解这两个循环之间的关系，有助于我们更好地理解海洋生态系统的变化规律，为海洋生态保护提供科学依据。

二、在生物氮固定出现之前，哪些非生物过程提供了生物可利用的氮？

在生物固氮出现之前，地球上的氮循环主要依靠非生物过程来提供生物可利用的氮。这些过程主要包括闪电固氮、宇宙射线固氮、火山活动等。

• 闪电固氮： 闪电提供的巨大能量可以将大气中的氮气（N₂）转化为氮氧化物（NOx），这些氮氧化物溶于雨水中形成硝酸，随雨水降落到地面，被土壤吸收。
• 宇宙射线固氮： 高能宇宙射线与大气中的氮气发生反应，也能产生少量氮氧化物。
• 火山活动： 火山喷发时释放的高温高压环境下，氮气可以与氧气反应生成氮氧化物。

这些非生物过程产生的氮氧化物和氨最终会通过雨水或风力沉降到土壤和海洋中。

相比生物固氮，非生物固氮的效率非常低，产生的氮量有限。非生物固氮主要发生在雷暴频繁、火山活动活跃的地区，导致氮素在全球的分布不均匀。

随着地球上最早的生命形式的出现，生物固氮逐渐成为地球氮循环中的重要一环。一些原核生物，如固氮细菌，能够将大气中的氮气转化为氨，为生物提供了更稳定的氮源。生物固氮的出现极大地促进了地球上生命的繁荣发展。

在生物固氮出现之前，非生物过程是地球上氮循环的主要驱动力，为早期生命提供了氮源。然而，这些过程效率较低，分布不均。生物固氮的出现，提高了氮素的利用效率，为地球生命的发展提供了更多的可能性。

三、为什么氮是生物分子的重要组成部分？

氮元素在生物分子中扮演着极其重要的角色。氮是氨基酸的重要组成部分，而氨基酸是构成蛋白质的基本单位。蛋白质在生物体内承担着多种功能，如催化反应、运输物质、提供结构支撑等。氮是构成核酸（DNA和RNA）的碱基的重要组成部分。核酸储存和传递遗传信息，是生命活动的遗传基础。氮还存在于许多其他重要的生物分子中，例如叶绿素、血红蛋白等。

氨基酸分子之间通过肽键连接形成蛋白质。肽键的形成涉及氨基酸分子中的氨基和羧基，而氨基中就含有氮元素。DNA和RNA中的碱基对通过氢键连接，而这些碱基中都含有氮元素。氮元素在一些酶的活性中心参与电子传递反应，对于生物能量的产生具有重要意义。

总的来说， 氮元素是生物分子结构和功能的重要组成部分，它参与了生命活动中的几乎所有过程。如果没有氮，生命将无法存在。

四、人类活动对海洋氮循环有哪些影响？

人类活动对海洋氮循环产生了深远的影响，导致了诸多环境问题。其中，氮（N）和磷（P）作为海洋初级生产力的限制性营养元素，其过量输入是导致近岸海域水质恶化的主要原因。

大量氮磷肥料的施用，导致土壤中过剩的氮磷通过地表径流和地下水进入河流、湖泊，最终流入海洋。畜禽粪便中的氮磷含量较高，如果不合理处理，也会导致水体污染。工业生产过程中产生的含氮磷废水，如果未经处理直接排放，也会对水体造成污染。生活污水中含有大量的氮磷化合物，如果不经过有效处理，也会导致水体富营养化。工业生产和交通运输产生的氮氧化物和硫氧化物等污染物，通过大气沉降进入海洋。

在许多海域，氮和磷是限制初级生产力的主要营养元素。当氮磷含量过高时，就会导致藻类大量繁殖，引发赤潮等生态问题。氮和磷元素易被生物吸收利用，且在水体中停留时间较长，更容易导致富营养化。人类活动导致的氮磷输入量远大于自然输入量，加剧了近岸海域的富营养化问题。

氮磷过量导致藻类大量繁殖，形成赤潮，破坏海洋生态系统，威胁渔业资源。藻类死亡分解消耗大量氧气，导致水体缺氧，威胁水生生物生存。富营养化导致水体透明度降低，底栖生物栖息地减少，生物多样性降低。赤潮、水质恶化等问题给渔业、旅游业等造成巨大的经济损失。

人类活动导致的氮磷输入是造成近岸海域富营养化的主要原因。为了保护海洋生态环境，我们必须采取综合措施，减少氮磷污染物的排放，恢复海洋生态系统的健康。

五、思考

在生物氮固定出现之前，非生物过程如何影响了早期地球的氮循环？这些过程在不同地质时期的相对重要性如何变化？微生物氮固定的出现如何改变了海洋生态系统的结构和功能？这种变化对其他生物地球化学循环（如碳循环）有何影响？大规模灭绝事件期间，氮循环发生了哪些显著变化？这些变化如何与其他环境因素（如氧化事件和气候变化）相互作用？

除了氮和磷，硅也是海洋初级生产力的限制性营养元素，那么氮、磷、硅三者之间的耦合关系如何影响海洋生态系统？海洋氮循环与碳循环之间存在怎样的耦合关系？氮输入的变化是否会影响海洋的碳汇功能？氮循环与硫循环之间是否存在相互作用？例如，氮氧化物与硫氧化物在大气中的相互作用会如何影响海洋生态系统？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

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