地球迄今約有45—46億歲，早期約40億年的歷史稱為前寒武紀(jì)。前寒武紀(jì)的海洋，總體而言，始終保持一種很“缺氧”狀態(tài)，直至晚期，海洋開始實質(zhì)性氧化，復(fù)雜真核生命開始出現(xiàn)、爆發(fā)，且總體保持穩(wěn)定的氧化狀態(tài)，逐漸演化為現(xiàn)代海洋。
(資料圖片僅供參考)
為什么早期海洋的“缺氧”狀態(tài)和現(xiàn)代海洋的“氧化”狀態(tài)始終能維持在穩(wěn)定狀態(tài)？它又是如何從“缺氧”切換到“氧化”的？生命關(guān)鍵組成元素——磷，其與氧之間是怎樣的關(guān)系，從而推動地球向現(xiàn)代宜居性狀態(tài)演化？
在成都理工大學(xué)教授李超看來，這是地球演化中最迷人的科學(xué)問題之一。在過去的數(shù)十年里，國外科學(xué)家始終站在重建早期地球海洋環(huán)境演化的最前端，他們掌握著最先進(jìn)的技術(shù)手段。
“技術(shù)創(chuàng)新才能驅(qū)動科學(xué)創(chuàng)新，先進(jìn)技術(shù)是我們實現(xiàn)領(lǐng)跑這一領(lǐng)域的關(guān)鍵?！苯?0年里，李超幾乎把自己的全部精力投入其中。
最近，李超團(tuán)隊利用最新研發(fā)的技術(shù)，直接追蹤古海洋磷含量波動，重建了地質(zhì)關(guān)鍵期埃迪卡拉紀(jì)古海洋溶解磷含量演化，發(fā)現(xiàn)了埃迪卡拉紀(jì)海洋生命營養(yǎng)元素磷含量和海洋氧化程度之間具有不同于現(xiàn)代海洋的關(guān)系，提出了外部因素是古海洋實現(xiàn)氧化的原始驅(qū)動力假說。
這一研究極大深化了人類對于地球宜居性演化和復(fù)雜生命演化規(guī)律的理解，對于早期地球海洋環(huán)境下相關(guān)礦產(chǎn)資源和油氣資源的形成和勘查也有重要的啟示意義。相關(guān)研究成果于5月31日發(fā)表于《自然》雜志。這也是成都理工大學(xué)建校以來的首個以第一作者單位刊發(fā)在《自然》的研究成果。
問題：古海洋為何穩(wěn)定地“缺氧”？
磷和氧，是生命存在發(fā)展不可缺失的關(guān)鍵元素。磷是控制現(xiàn)代和地質(zhì)歷史時期海洋生產(chǎn)力大小的首要營養(yǎng)鹽，而氧氣則是復(fù)雜真核生命代謝所必需的氧化劑，破解二者關(guān)系是地球宜居性演化研究的關(guān)鍵內(nèi)容。
研究表明，在百萬年的地質(zhì)時間尺度上，現(xiàn)代海洋中磷和氧氣表現(xiàn)為負(fù)反饋關(guān)系，即當(dāng)海洋氧氣升高時，磷會減少。海洋會通過增加鐵錳氧化物吸附等方式將磷移出海水進(jìn)入沉積物，導(dǎo)致海洋生產(chǎn)力以及光合作用產(chǎn)氧下降，從而阻止海洋進(jìn)一步氧化。
相反，海洋氧氣降低，磷則會增加?！叭毖酢钡沫h(huán)境下，沉積物中的磷會被再活化，重新釋放到海洋中，從而增加海洋生產(chǎn)力和氧氣產(chǎn)量，阻止海洋缺氧的擴(kuò)大。
“磷氧相互作用，在很大程度上，將現(xiàn)代海洋鎖定在了一個相對穩(wěn)定的氧化世界里，使地球上的復(fù)雜生命得以延續(xù)繁衍?！崩畛嬖V《中國科學(xué)報》，這是地球系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)的一個重要機(jī)制。
而在前寒武紀(jì)海洋，缺氧占據(jù)海洋的主體，且穩(wěn)定維持了漫長的幾十億年。它是如何穩(wěn)定地維持“缺氧”狀態(tài)呢？現(xiàn)代海洋中的磷和氧負(fù)反饋過程是否也存在于前寒武紀(jì)的海洋中呢？
過去，有科學(xué)家猜測：由于前寒武紀(jì)海洋缺氧，海洋磷循環(huán)速率很低，海洋磷含量也就很低，但在前寒武紀(jì)的最后一個階段，也就是從六億三千五百萬年前持續(xù)到五億三千九百萬年前的埃迪卡拉紀(jì)，缺氧的海洋出現(xiàn)了重大的氧化事件，海洋磷循環(huán)速率和磷含量也大幅增加了，變成了現(xiàn)代海洋類型的磷循環(huán)。
“他們猜測的依據(jù)是，地質(zhì)歷史時期黑色頁巖總磷的平均含量在埃迪卡拉紀(jì)有了大約四倍的實質(zhì)性增加，推測肯定是海洋的氧化加速了海洋磷自身的循環(huán)，導(dǎo)致了海洋磷增加并形成了現(xiàn)代海洋類型的磷循環(huán)，這些最終推動了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)?！崩畛忉屨f。
然而，這種推測并沒有直接的數(shù)據(jù)支持。一個重要的原因是，一直以來缺乏能夠直接有效追蹤古海洋溶解磷含量的定量指標(biāo)，前人僅依據(jù)沉積巖中的總磷含量，是無法準(zhǔn)確定量古海洋中溶解磷的波動的。
“技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動科學(xué)創(chuàng)新，回答重大科學(xué)問題?！崩畛睦锖芮宄?，沒有直接重建古海洋關(guān)鍵營養(yǎng)元素磷含量變化的指標(biāo)技術(shù)，自己必須要想辦法研發(fā)一個。
技術(shù)：工欲善其事的“利器”
過去多年，李超帶領(lǐng)團(tuán)隊多次嘗試，最終于2021年成功研發(fā)碳酸鹽結(jié)合態(tài)磷酸鹽（簡稱“CAP”）技術(shù)，這是作為直接追蹤或重建古海洋磷含量的新手段。
這是李超從前人在現(xiàn)代海洋珊瑚研究中獲取的靈感。
珊瑚在生長過程中，會吸收海水中的磷，并把磷酸鹽固定在骨骼當(dāng)中，當(dāng)想知道海水中磷含量發(fā)生怎樣的變化時，珊瑚會成為一個直接的“證人”。
李超受到啟發(fā)后思考：早期地球海洋的碳酸鹽礦物在沉淀時，會不會也把海洋中的磷酸鹽給“吸收”到的礦物晶格里了呢？
“就像拍照一樣，以某種方式把信息直接記錄在了巖石檔案中?！崩畛忉尩健ＫR上帶著團(tuán)隊成員開始實驗驗證自己的想法。
他們通過控制環(huán)境溶液的磷含量、酸堿度、溫度以及碳酸鹽礦物相來研究響應(yīng)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在實驗室各種模擬環(huán)境下，沉淀出的碳酸鹽的CAP和溶液中的磷酸根都會有線性關(guān)系。
“一定是線性關(guān)系，才是能夠用于重建早期海洋磷含量波動?！崩畛f。?
通過現(xiàn)代和古代自然沉積碳酸鹽的研究，進(jìn)一步證實了在特定地史條件下，只要樣品未受到明顯的后期成巖作用，無論是從灰?guī)r還是從白云巖中提取的CAP組成，均能很好地記錄當(dāng)時海水中的磷含量波動。
有了技術(shù)支撐，研究團(tuán)隊把將目光投注到了一段特殊的地層單元，即埃迪卡拉紀(jì)SE事件地層。SE事件是埃迪卡拉紀(jì)最重要的古海洋氧化事件之一，這段地層記錄了地球歷史上最強(qiáng)烈的一次碳酸鹽碳同位素負(fù)偏移事件，其被認(rèn)為可能與全球海洋氧化性的顯著增強(qiáng)有關(guān)，且地層通常由碳酸鹽巖組成，便于CAP技術(shù)的應(yīng)用。因此，埃迪卡拉紀(jì)SE事件地層無疑成為了首選目標(biāo)。
接下來，在李超的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)下，團(tuán)隊成員收集了來自中國華南和西北塔里木地區(qū)、澳大利亞、美國和墨西哥4個古大陸上的6條不同地區(qū)記錄了SE事件的剖面樣品并開展了CAP分析。
意外：與過去推測相反的結(jié)論
結(jié)果讓李超意外又振奮。
6條不同地區(qū)記錄SE事件剖面的樣品CAP數(shù)據(jù)顯示，隨著海洋氧化，其磷含量的波動變化一致，都呈現(xiàn)“M”型的演化趨勢，這與期望中的現(xiàn)代海洋中的磷和氧負(fù)反饋過程截然不同。
“這個是自然科學(xué)奇妙的地方，你就發(fā)現(xiàn)這么完美地證明了一些事情，在地球上不同地方記錄著同樣的一個變化，覺得好像發(fā)現(xiàn)了某個真理。”至今想起來，李超仍感到興奮。
李超描述磷含量“M”型的變化時說，隨著海洋的氧化，海洋磷含量先增加，隨后下降，出現(xiàn)了第一個峰值，當(dāng)海洋氧化程度下降，磷含量先增加后又下降，形成第二個峰值?！氨M管在海洋最氧化的時候，磷含量降到了最低，但是這個最低值與SE事件前后海洋氧化程度最弱時并無區(qū)別，這說明埃迪卡拉紀(jì)海洋磷含量和海洋氧化程度之間具有不同于現(xiàn)代海洋的解耦關(guān)系。”
要想被信服，科研團(tuán)隊必須對這一“反常識”的科學(xué)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行解釋。李超團(tuán)隊和合作者作了進(jìn)一步分析，借助改進(jìn)的生物地球化學(xué)模型進(jìn)行了定性和定量解釋。
李超告訴《中國科學(xué)報》，在第一個階段，SE事件初期，陸地構(gòu)造運動，不僅碰撞出了諸多的山川大陸，也促進(jìn)了風(fēng)化作用，這使得單位時間內(nèi)陸地風(fēng)化硫酸鹽大量地向海洋輸入，釋放出了古海洋溶解有機(jī)質(zhì)中所結(jié)合的磷。與此同時，古海洋溶解有機(jī)質(zhì)氧化釋放出的二氧化碳，其進(jìn)一步加速陸地硅酸鹽風(fēng)化，提高向海洋輸送磷的量。
在第二個階段，由于第一階段磷的增加，海洋生產(chǎn)力增加，其通過光合作用釋放氧氣，海洋氧化程度增加，促進(jìn)鐵錳氧化物對海水中磷的吸附移除，且移除量逐漸大于輸入量，磷含量再次減少。
第三個階段，第二階段海洋磷含量的下降將導(dǎo)致海洋生產(chǎn)力和氧氣產(chǎn)率的下降，引發(fā)海洋缺氧程度的增加，最終導(dǎo)致沉積物中鐵錳氧化物對海水中磷的移除量小于古海洋溶解有機(jī)質(zhì)-磷的釋放量，磷含量再次增加。
在最后一個階段，隨著古海洋溶解有機(jī)質(zhì)消耗殆盡和陸源風(fēng)化硫酸鹽輸入的下降，SE事件趨于結(jié)束，古海洋溶解有機(jī)質(zhì)磷釋放也逐步結(jié)束，海洋磷含量也逐步下降。
“從定性和定量兩方面，都能近乎完美地‘重塑’在自然界觀察到的現(xiàn)象，可以說，我們重塑了埃迪卡拉紀(jì)海洋磷氧循環(huán)演化過程?！崩畛f。
事實上，埃迪卡拉紀(jì)能夠“反映”整個前寒武紀(jì)，已有研究表明埃迪卡拉紀(jì)海洋，與其他時期的前寒武紀(jì)海洋具有相似的海洋化學(xué)特征，因此，該研究發(fā)現(xiàn)的古海洋磷氧解耦合關(guān)系也可以解釋，為何漫長的前寒武紀(jì)能夠一直穩(wěn)定處于主體缺氧狀態(tài)了。
研究還發(fā)現(xiàn)，要想打破前寒武紀(jì)海洋內(nèi)部磷氧循環(huán)的解耦關(guān)系，實現(xiàn)海洋的氧化，可能需要海洋外部因素來驅(qū)動，例如本研究中陸源風(fēng)化硫酸鹽的快速輸入，觸發(fā)了SE時期海洋的氧化，這解釋了地球表層的氧化和復(fù)雜生命的崛起為何如此緩慢，而這一切需要等到距今5.39億年以來的顯生宙才出現(xiàn)。
引領(lǐng)：需要堅定的決心
該研究成果是李超教授團(tuán)隊在過去近20年里在晚新元古代-早古生代環(huán)境演化領(lǐng)域里長期研究工作的一次集中體現(xiàn)。
審稿人認(rèn)為，這項研究回答了地球演化史上一個重要而熱點問題：磷循環(huán)在控制大氣和海洋氧水平中的角色；總體而言，這是一個新穎、原創(chuàng)和重要的（科學(xué)）貢獻(xiàn)。
李超于2004年到美國留學(xué)深造，2011年學(xué)成回到祖國，多年的國外“漂泊”，他看到，在早期地球海洋環(huán)境重建領(lǐng)域里，外國始終處在領(lǐng)跑狀態(tài)。
“多數(shù)的技術(shù)手段都是外國人研發(fā)的，他們有條件回答很多重大的科學(xué)問題，而我們長期處在被動狀態(tài)?！边@讓李超更堅定了帶領(lǐng)團(tuán)隊突破難關(guān)的決心。他說，過去，我們最多能做兩類研究：一是復(fù)制方法，做人家剩下的；二是拿上好一點的樣品，帶到國外用人家的技術(shù)手段研究，“這都不是原始創(chuàng)新，技術(shù)研發(fā)走到前面，你就能夠把世界看得更透徹，科學(xué)研究的前景和意義就會更大?！?/p>
通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)國際科技前沿重大原始突破，李超仍在努力著，他將繼續(xù)在古海洋環(huán)境演化領(lǐng)域開展關(guān)鍵卡脖子技術(shù)研發(fā)和重大科技前沿的攻關(guān)。
“這是一個前景不可限量的研究領(lǐng)域?！崩畛膭罡嗟难芯空呒尤肫渲小Ｋ硎?，很多礦產(chǎn)資源和油氣資源在早期地球海洋環(huán)境下形成，這一研究將對相關(guān)資源的形成和勘查也有重要的啟示意義。
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