根據倫敦大學學院（UCL）和耶魯大學的研究人員領導的一項新研究，大約4億年前植物在陸地上的到來可能改變了地球自然調節自身氣候的方式。碳循環是碳在岩石、海洋、生物體和大氣之間移動的過程，它作為地球的天然“恆溫器”，在很長一段時間內調節其溫度。

在《自然》雜誌上發表的一項新研究中，研究人員觀察了橫跨過去30億年的岩石樣本，發現有證據表明，大約4億年前，當植物開始在陸地上出現時，這個循環的運作方式發生了巨大的變化。具體來說，研究人員注意到岩石中記錄的海水化學成分的變化，這表明全球粘土–“粘土礦物工廠”的形成發生了重大轉變，從海洋轉向陸地。

由於粘土在海洋中的形成（逆向風化）導致二氧化碳被釋放到大氣中，而陸地上的粘土是化學風化的副產品，可以去除空氣中的二氧化碳，這就減少了大氣中的碳含量，導致了一個更冷的星球和一個“蹺蹺板”氣候，冰期和暖期交替出現。

研究人員認為，這種轉換是由於陸地植物的傳播使土壤和粘土留在陸地上，阻止了碳被沖入海洋，以及使用矽作為其骨架和細胞壁的海洋生物的增長，如海綿、單細胞藻類和放射蟲（一組原生動物），導致粘土形成所需的海水中的矽減少。

高級作者Philip Pogge von Strandmann博士（UCL地球科學）說。”我們的研究表明，在地球歷史上的大部分時間裡，碳循環的運作方式與今天相比有根本的不同。

“這種轉變是在4億到5億年前逐漸發生的，似乎與當時的兩大生物創新有關：植物在陸地上的傳播和海洋生物的生長，這些生物從水中提取矽來製造它們的骨架和細胞壁。”

“在這一變化之前，大氣中的二氧化碳仍然很高，導致了一個穩定的溫室氣候。從那時起，我們的氣候就在冰期和暖期之間來回跳動。這種變化促進了進化，在這一時期，複雜生命的進化加速了，陸地動物首次形成。碳含量較少的大氣層對變化也更加敏感，允許人類通過燃燒化石燃料更容易影響氣候。”

研究第一作者、耶魯大學的博士生Boriana Kalderon-Asael說：“通過測量橫跨地球大部分歷史的岩石中的鋰同位素，我們旨在調查在一個大的時間尺度上，碳循環的運作是否有任何變化。我們發現它發生了變化，而且這種變化似乎與陸地上的植物生命和海洋中使用矽的動物生命的增長有關。”

在這項研究中，研究人員測量了從世界各地許多不同地點採集的600個岩石樣本中的鋰同位素。鋰有兩種自然發生的穩定同位素–一種有三個質子和三個中子，另一種有三個質子和四個中子。

當粘土在陸地上慢慢形成時，它強烈傾向於鋰-6，使周圍的水富含另一種更重的同位素–鋰-7。研究人員使用質譜儀分析他們的樣本，發現在4億至5億年前，岩石中記錄的海水中鋰同位素-7的水平上升，這表明地球的粘土生產發生了重大轉變，與植物在陸地上的傳播和使用矽的海洋生物的出現相一致。

粘土作為化學風化的殘留物在陸地上形成，化學風化是將二氧化碳從大氣中移除的主要長期過程。這發生在大氣中的碳與水結合，形成一種弱酸，即碳酸，它以雨的形式落在地上，溶解岩石，釋放出包括鈣離子在內的離子，流入海洋。最終，這些碳被鎖在海底的岩石中。相比之下，植物的光合作用所產生的碳減少，一旦植物腐爛，就會被否定，並且很少在超過幾百年的時間範圍內影響二氧化碳水平。

當粘土在海洋中形成時，碳留在水中，並最終釋放到空氣中，作為空氣與水相遇時發生的碳持續交換的一部分。