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氮是生命的重要组成部分，它存在于蛋白质、DNA和叶绿素中。然而，尽管氮气占大气的79%，大多数生物体无法直接利用它。因此，氮循环成为控制地球生命活动的关键因素之一。从地球生命起源到今天，海洋中的氮循环伴随着生命和氧化还原条件的变化而进化。近期发表在Nature Reviews Earth & Environment的综述论文：Marine biogeochemical nitrogen cycling through Earth’s history将带您追溯地球过去40亿年海洋生物地球化学氮循环的演变历程。作者介绍了过去约 40 亿年来世界海洋中的氮循环，从生命诞生之初到现代。沉积岩中的稳定氮同位素与其他替代物相结合，提供了氮循环对生命的出现、氧化事件、重大气候扰动和大规模灭绝事件等事件作出反应并可能对其进行调节的证据。在氮固定演化之前，生物可利用的氮是通过闪电、光化学反应、陨石撞击和热液作用等过程提供的。微生物 N2固定的出现促进了生态系统的扩张。新元古代 (1,000-541 Ma) 海洋硝酸盐库可能使真核藻类主宰了海洋初级生产力。1 亿年时间尺度上的显生宙氮循环转变与从冰室到温室的条件有关。大规模灭绝和缺氧事件期间发生了短暂的扰动，这与进化变化、极端气候和海洋停滞有关。
现代海洋生物地球化学氮循环的简化视图
在今天的海洋中，氮气（N2）通过生物固氮作用转化为可被生物利用的铵离子（NH4+）。这一过程主要由微生物完成，约有15%的原核生物可以通过氮酶将大气中的氮气固定到生物体内。这种过程在氧气含量低的环境中尤为重要。此外，氮循环的其他重要过程包括硝化作用、反硝化作用和厌氧氨氧化（anammox），它们在有氧和缺氧环境中分别负责氨和硝酸盐的转化，最终使氮气返回到大气中。
氮同位素记录与主要生物地球化学和气候事件的比较
在地球早期，生物固氮尚未出现，氮的主要来源是闪电、光化学反应、陨石撞击和水热活动等非生物过程。早在35亿年前，海洋中已存在简单的生物固氮现象，这为早期生命的扩展创造了条件。通过分析早期沉积岩中的氮同位素（δ15N）值，科学家们发现早期氮循环主要依赖于氨的再循环，而氮气的固定可能是由一些原始微生物完成的。
古太古代氮和铁循环之间的相互作用
在10亿年前，海洋中开始出现氧气，导致了硝酸盐库的形成。这一变化使得真核藻类得以利用硝酸盐，并主导了海洋初级生产力的增加。尤其是在新元古代，氮循环经历了重大的变化，海洋中硝酸盐的积累推动了真核生物的扩展，并可能与“雪球地球”事件和动物进化密切相关。
新元古代晚期和显生宙氮同位素记录的长期趋势
在显生宙时期，氮循环在冰室气候和温室气候之间的转换过程中经历了多次变化。冰室气候期间，海洋中硝酸盐的比例较高，而在温室气候期间，硝酸盐库较小，反硝化作用占据主导地位。短期的氮循环扰动与大灭绝事件密切相关，例如在二叠纪和三叠纪的灭绝事件期间，海洋中氮的可用性大幅减少，导致大量生物的灭绝。
代表性三叠纪-侏罗纪界线剖面
参考文献
Stüeken, E.E., Pellerin, A., Thomazo, C. et al. Marine biogeochemical nitrogen cycling through Earth’s history. Nat Rev Earth Environ (2024). https://doi.org/10.1038/s43017-024-00591-5
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