在海洋中，几乎不間接的粒子级联——其中大部分是由生物过程产生的——从阳光照射的表面沉入深渊的黑暗中。这个过程被称为海洋的生物泵，将化学能量和生命所需的元素传递到深海，有助于控制地球的气候，并为深海生态系统提供燃料1。在《自然》杂志上写道，Du等人2通过报告一个生物地球化学框架，其中海洋中的多种元素来自海底，有效地颠覆了这种对海洋的看法。
不断从海洋表面下沉的颗粒物通常使用降水类比来描述：它由微观藻类的软组织和硬组织尸体的“雨”组成；以及由更大、更蓬松的有机和无机颗粒组成的“雪”组成。这个字面上自上而下的过程成功地解释了碳、氮、硅和磷的海洋分布——这些元素是支持海洋生物所需的大量“宏观营养素”元素。这些宏量营养素具有高度的可溶性，其海洋停留时间比全球海洋环流的1000年时间尺度长。
然而，海洋中稀有“痕迹”元素的分布也引起了极大的兴趣。生物活性微量元素，如铁、锌和钴，也是生命所必需的，与宏量营养素一起，对海洋生产力（海洋产生的有机物数量）和生态系统结构产生强烈影响。宏量营养素和微量元素的分布对于了解海洋生态系统3,4至关重要——可以说，温度和降水率对于了解陆地生物群落一样重要。
海洋常留时间相对较短（数百年或更短）的微量元素就像一杯混合不良的咖啡中的奶油粉：它们往往在来源附近的海洋中富集，因此它们的分布通常受到当地输入和去除过程的影响比宏量营养素的影响更大。因此，许多与生物和科学相关的微量元素的分布，包括Du等人研究的微量元素的分布，都逃避了仅依赖自上而下机制的简明解释。
过去几十年来，对微量元素分布和过程的调查催生了许多令人兴奋的发现和提出的生物地球化学机制。其中包括通过特定颗粒类型5,6选择性去除微量元素；涉及微量元素与有机分子7,8的复杂相互作用的过程；来自热液喷口和海底沉积物9,10的输入；从大陆边缘9（标志着大陆和海洋地壳之间过渡的海底区域）的横向运输微量元素11,12的微量元素从大气中沉积。
Du和同事们现在提供了自下而上的过程也会影响微量元素的海洋分布的证据。作者重点关注几种停留时间相对较短的元素，包括钕和其他稀土元素。他们在深海太平洋（深度低于5000米）测量了这些元素的数量，对海底沉积物、孔隙水（被困在沉积物颗粒中的海水）和沉积物颗粒本身取样。测量结果表明，深海孔隙水为海洋提供了这些元素的微妙通量。根据科学家目前对水如何在深海中混合的理解，这些通量在太平洋的巨大宽度和水深测量（海底的三维形状）上扩展到海洋的生物地球化学方面做出了关键贡献。
Du等人利用国际GEOTRACES计划13,14收集的海洋盆地规模颗粒和溶解微量元素调查的高精度全球数据，表明氧化锰（海洋颗粒雨的次要无机成分）对钕有很高的亲和力。作者得出结论，因此，下沉的氧化锰颗粒缓慢且不可逆转地从海洋的水柱中积累了钕——可能还有许多其他稀土元素——并将其带回海底。与这一观点一致，作者观察到钕和稀土元素主要被困在几种沉积物类型的无机锰氧化物中。
深海沉积物中有机物的分解推动了缓慢的化学变化，导致沉积物中微量元素持续释放回深海。Duet al.使用数值模型的组合来表明，除了以这种方式释放的“回收”钕通量外，太平洋沉积物还必须从当地硅酸盐矿物的海底风化中释放少量的“新”铌，以解释GEOTRACES绘制的同位素分布。这些结果对海洋停留时间相对较短的其他微量元素——如铁，一种关键营养素——如何分布在全球海洋中，有影响。研究结果还表明，对硅酸盐风化规模的估计，硅酸盐风化是一个影响数百万年时间尺度的气候的过程15，需要重新考虑深海沉积过程的贡献规模。
对孔隙水和沉积物中微量元素和稀土元素的测量非常具有挑战性，因此很少，这限制了将Du和同事的结果与其他海洋环境的数据进行比较并验证发现的机会。此外，太平洋比其他海洋更安静——这一特征有利于本研究，但很难知道这些发现与其他地区的相关性。
与此相关的是，仍然很难衡量深海沉积物投入、自上而下的过程和来源（如大陆边缘）对其他微量元素分布和其他地区的相对贡献。根据他们的模型，Du等人认为，深海沉积物和边缘沉积物的化学差异解释了他们研究中提出的深海通量。未来对全球微量元素分布理论和拟议的深海沉积源的修订无疑将需要考虑其他设置，以及微量元素和同位素的套件。
尽管如此，从杜和同事的分析中得出的图景对于许多微量元素来说，比人们普遍认为的要“自下而上”得多。海洋沉积物甚至可能是海洋内部大片地的微量元素的主要输入。沉积物中拟议的微量元素通量由从深渊中回收的成分以及通过风化当地矿物释放的新鲜输入组成（图。1）。组合的通量扩散并混合到海洋内部，在那里，它被来自地表的颗粒雨缓慢但持续地从水柱中重新清除。
因此，重要的是，作者提供了一个可测试的框架，用于评估许多其他元素的参与过程的规模，包括铜、钴、镍和铁等生物活性元素。进一步测量作者援引的通量、海洋颗粒的成分和各种微量元素的亲和力，将有助于确定哪些元素遵循这一生物地球化学规则集，以及在多大程度上。自然642，575-576（2025）
doi：https://doi.org/10.1038/d41586-025-01681-0
