撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

在海洋中，幾乎永不停歇的顆粒流——其中大部分由生物過程產生——從陽光普照的海面沉入深海的黑暗之中，這一過程被稱為海洋生物泵，它將化學能和生命所需的元素輸送到深海，有助于控制地球氣候并為深海生態系統提供能量。

而一篇最新Nature論文提出了一種全新的生物地球化學框架，顛覆了人們對海洋的傳統認知，指出海洋中的多種元素其實源自海底。

該研究以：Abyssal seafloor as a key driver of ocean trace-metal biogeochemical cycles 為題，于 2025 年 6 月 11 日發表于Nature期刊，杜江輝為論文第一作者兼共同通訊作者，這是杜江輝在蘇黎世聯邦理工學院進行博士后研究期間的工作，目前杜江輝已回國加入北京大學地球與空間科學學院，任助理教授。

杜江輝，2009 年本科畢業于北京大學，2011 年碩士畢業于北京大學，2019 年博士畢業于俄勒岡州立大學，此后在俄勒岡州立大學和蘇黎世聯邦理工學院進行博士后研究工作，2024 年回國，加入北京大學地球與空間科學學院，任助理教授。

微量元素及同位素（TEI）對海洋生物至關重要，也是研究海洋過程的重要工具。關于海洋中 TEI 的循環，出現了兩種不同的框架：可逆的清除作用有利于水柱（water-column，指從水體表面垂直延伸至水底或某一特定深度的連續水體部分）對 TEI 分布的控制，而海底邊界交換則強調沉積物對水柱生物地球化學的影響。這兩種觀點導致了對 TEI 行為的不同解讀。

在這項最新研究中，研究團隊以稀土元素和釹同位素為例，作為顆粒物沉降和邊界交換的示蹤劑。研究團隊將這些數據與顆粒循環和沉積物成巖作用模型相結合，提出了一個海洋中 TEI 循環的通用框架。

該研究證明，對于那些對錳氧化物的親和力大于對生物顆粒親和力的元素而言，在整個水柱中，清除作用是一個凈匯，這與可逆清除作用的常見假設相反。在這種情況下，海底棲息生物的通量使得元素濃度隨水深增加而上升。這種沉積物來源由兩部分組成：一部分是水柱顆粒所吸附的元素經再循環而來，另一部分則是通過沉積物內部的海洋硅酸鹽風化作用新引入水柱的。深海有氧成巖作用驅動了這種底棲來源，并通過海底地形和底部增強的湍流混合對水柱生物地球化學產生強烈影響。

總的來說，這些研究結果證實了自生礦物（authigenic minerals，指沉積巖的沉積和成巖過程中以化學或生物化學方式新生成的礦物）在水柱循環中的作用，這種作用常常被生物顆粒所掩蓋，并表明通常被認為不活躍的深海海底是生物地球化學轉化的一個重點區域。

值得一提的是，Nature期刊同期發表了題為：Trace elements in the ocean attributed to a surprising source 的新聞與觀點文章，文章指出，杜江輝等人的這項研究揭示了海洋中微量元素令人驚訝的來源——海底是海洋中微量元素的來源之一，這一發現顛覆了人們對海洋生物地球化學的傳統觀點。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09038-3

https://www.nature.com/articles/d41586-025-01681-0