《SCIENCE ADVANCES》：Combined effects of photorespiration and fire strongly regulate atmospheric oxygen levels
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本研究針對過去4億年來大氣氧濃度（O2）穩定性維持的"氧氣之謎"，通過整合動態全球植被模型（LPJ-LMfire）和生物地球化學模型（COPSE），首次在全球尺度量化了野火和光呼吸對陸地植被的協同調控作用。研究發現當O2濃度達到35%時，兩種機制的交互作用導致全球生物量減少86%，遠高于單一機制的效果，這為解釋地質歷史時期O2濃度的穩定范圍（15-40%）提供了新的理論框架，對理解地球系統演化具有重要意義。
在地球漫長的演化歷史中，大氣氧濃度（O2）保持相對穩定是一個引人入勝的科學謎題。自從4.2億年前森林生態系統出現以來，盡管大氣成分已被完全替換超過100次，氧濃度卻始終維持在15%-40%的范圍內波動。這種驚人的穩定性被科學家稱為"氧氣之謎"，暗示著存在某種強大的調控機制。傳統理論認為，野火通過限制陸地植被的生長來調節氧濃度——當氧氣含量升高時，火災發生頻率和強度增加，燃燒更多有機物，減少碳埋藏，從而降低氧氣生成。然而，這一理論在解釋熱帶雨林等濕潤生態系統時遇到挑戰，因為高濕度環境會顯著抑制火災的蔓延。
為了深入探究這一謎題，研究人員在《科學進展》（Science Advances）上發表了一項創新性研究，首次將野火和光合光呼吸兩種機制納入統一的分析框架。研究團隊通過結合動態全球植被模型和生物地球化學模擬，揭示了這兩種機制如何通過空間互補效應共同維持氧濃度的長期穩定。
研究采用的關鍵技術方法包括：1）改進的LPJ-LMfire動態全球植被模型，該模型整合了氧氣濃度對火災概率、蔓延速率和光呼吸作用的影響參數；2）COPSE（碳-氧-磷-硫演化）生物地球化學模型，用于模擬地質時間尺度上的元素循環；3）基于古氣候重建的多種情景模擬，包括高二氧化碳（CO2）濃度、高溫和高降水等不同氣候條件；4）光呼吸作用的數學建模，引入了CO2/O2補償點（γ*）概念來量化不同溫度和氣濃度下的凈光合作用效率。
氧氣驅動通過野火和光呼吸對植被的影響
模擬結果顯示，當僅考慮野火效應時，35%氧濃度下全球森林覆蓋減少約45%，主要影響中高緯度地區。這是因為高緯度地區燃料濕度較低，火災更容易蔓延。而單獨考慮光呼吸效應時，同樣導致約45%的森林覆蓋損失，但主要影響低緯度地區——高溫環境會降低CO2溶解度，增強Rubisco酶（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）的氧合活性，從而加劇光呼吸作用。
當同時考慮兩種機制時，出現了顯著的協同效應：在35%氧濃度下，全球生物量和森林覆蓋減少達86%。這種增強效應源于兩種機制的空間互補性——野火主要清除中高緯度植被，而光呼吸抑制低緯度植物生長，兩者共同作用幾乎影響所有緯度的生態系統。更重要的是，兩種機制之間存在正反饋：高氧濃度下光呼吸作用限制植物生長，導致植被高度降低，這使得火災更容易造成樹木死亡；而頻繁的火災又進一步削弱植被恢復能力。
長期大氣氧調控
將植被模擬結果整合到COPSE生物地球化學模型后，研究人員重建了顯生宙（5.41億年前至今）的氧濃度演化歷史。模擬表明，僅考慮野火或光呼吸單一機制時，白堊紀晚期氧濃度峰值分別達到27.6%和27.5%。而當考慮兩種機制的協同作用時，氧濃度峰值被嚴格限制在23.8%，僅比現代水平（21%）高出14%。這一結果與地質記錄中森林持續存在的事實高度一致，表明確實存在強有力的調控機制防止氧濃度過度升高。
研究還發現，這種協同調控機制在不同氣候條件下均保持有效。在高CO2濃度（1000 ppm）環境中，雖然光呼吸作用有所減弱，但兩種機制的聯合效應仍能減少60%以上的全球生物量。在高溫條件下，兩種機制的調控作用反而增強——高溫既加劇燃料干燥促進火災，又增強光呼吸速率。
研究結論與討論
這項研究首次揭示了野火和光呼吸作用如何通過空間互補和協同效應，共同維持地球大氣氧濃度的長期穩定。這一發現對理解地球系統演化具有深遠意義：穩定的氧環境可能為動物的演化和生態系統的發展提供了有利條件，這或許能解釋為什么過去4億年來生物滅絕率低于早期古生代。
研究的創新性在于突破了傳統單一機制的研究范式，通過動態植被模型實現了對兩種機制空間分布特征的量化分析。這不僅解決了"氧氣之謎"的關鍵問題，也為未來研究地球系統調控機制提供了新范式。需要注意的是，本研究基于現代大陸配置和植物功能類型進行模擬，而地質歷史中的大陸漂移和植被演化可能對調控強度產生一定影響，這為后續研究指明了方向。
該研究強調，大氣氧濃度的穩定并非依靠單一機制，而是多種生物地球化學過程復雜互作的結果。這種精密的調控系統確保了地球生命的生存環境在數十億年尺度上保持相對穩定，為我們理解行星宜居性提供了重要參考。
