地球迄今约有45—46亿岁，初期约40亿年的汗青称为前寒武纪。前寒武纪的海洋，整体而言，始终连结一种很“缺氧”状况，直至晚期，海洋最先本色性氧化，复杂真核生命最先呈现、爆发，且整体连结不变的氧化状况，逐步演变为现代海洋。

为何初期海洋的“缺氧”状况和现代海洋的“氧化”状况始终能保持在不变状况？它又是若何从“缺氧”切换到“氧化”的？生命要害构成元素——磷，其与氧之间是如何的关系，从而鞭策地球向现代宜居性状况演变？

在成都理工年夜学传授李超看来，这是地球演变中最迷人的科学问题之一。在曩昔的数十年里，国外科学家始终站在重建初期地球海洋情况演变的最前端，他们把握着最早进的手艺手段。

“手艺立异才能驱动科学立异，进步前辈手艺是我们实现领跑这一范畴的要害。”近20年里，李超几近把本身的全数精神投入此中。

比来，李超团队操纵最新研发的手艺，直接追踪古海洋磷含量波动，重建了地质要害期埃迪卡拉纪古海洋消融磷含量演变，发现了埃迪卡拉纪海洋生命营养元素磷含量和海洋氧化水平之间具有分歧在现代海洋的关系，提出了外部身分是古海洋实现氧化的原始驱动力假说。

这一研究极年夜深化了人类对地球宜居性演变和复杂生命演变纪律的理解，对初期地球海洋情况下相干矿产资本和油气资本的构成和勘查也有主要的启迪意义。相干研究功效在5月31日颁发在《天然》杂志。这也是成都理工年夜学建校以来的首个以第一作者单元刊发在《天然》的研究功效。

问题：古海洋为什么不变地“缺氧”？

磷和氧，是生命存在成长不成缺掉的要害元素。磷是节制现代和地质汗青期间海洋出产力巨细的重要营养盐，而氧气则是复杂真核生命代谢所必须的氧化剂，破解两者关系是地球宜居性演变研究的要害内容。

研究注解，在百万年的地质时候标准上，现代海洋中磷和氧气表示为负反馈关系，即当海洋氧气升高时，磷会削减。海洋会经由过程增添铁锰氧化物吸附等体例将磷移出海水进入沉积物，致使海洋出产力和光合感化产氧降落，从而禁止海洋进一步氧化。

相反，海洋氧气下降，磷则会增添。“缺氧”的情况下，沉积物中的磷会被再活化，从头释放到海洋中，从而增添海洋出产力和氧气产量，禁止海洋缺氧的扩年夜。

“磷氧彼此感化，在很年夜水平上，将现代海洋锁定在了一个相对不变的氧化世界里，使地球上的复杂生命得以延续繁衍。”李超告知《中国科学报》，这是地球系统自我调理的一个主要机制。

而在前寒武纪海洋，缺氧占有海洋的主体，且不变保持了漫长的几十亿年。它是若何不变地保持“缺氧”状况呢？现代海洋中的磷和氧负反馈进程是不是也存在在前寒武纪的海洋中呢？

曩昔，有科学家猜想：因为前寒武纪海洋缺氧，海洋磷轮回速度很低，海洋磷含量也就很低，但在前寒武纪的最后一个阶段，也就是从六亿三千五百万年前延续到五亿三千九百万年前的埃迪卡拉纪，缺氧的海洋呈现了重年夜的氧化事务，海洋磷轮回速度和磷含量也年夜幅增添了，酿成了现代海洋类型的磷轮回。

“他们猜想的根据是，地质汗青期间黑色页岩总磷的平均含量在埃迪卡拉纪有了年夜约四倍的本色性增添，猜测必定是海洋的氧化加快了海洋磷本身的轮回，致使了海洋磷增添并构成了现代海洋类型的磷轮回，这些终究鞭策了寒武纪生命年夜爆发。”李超注释说。

但是，这类猜测并没有直接的数据撑持。一个主要的缘由是，一向以来缺少可以或许直接有用追踪古海洋消融磷含量的定量指标，前人仅根据沉积岩中的总磷含量，是没法正确定量古海洋中消融磷的波动的。

“手艺立异驱动科学立异，回覆重年夜科学问题。”李超心里很清晰，没有直接重建古海洋要害营养元素磷含量转变的指标手艺，本身必需要想法子研发一个。

手艺：工欲善其事的“利器”

曩昔多年，李超率领团队屡次测验考试，终究在2021年成功研发碳酸盐连系态磷酸盐（简称“CAP”）手艺，这是作为直接追踪或重建古海洋磷含量的新手段。

这是李超畴前人在现代海洋珊瑚研究中获得的灵感。

珊瑚在发展进程中，会接收海水中的磷，并把磷酸盐固定在骨骼傍边，当想知道海水中磷含量产生如何的转变时，珊瑚会成为一个直接的“证人”。

李超遭到开导后思虑：初期地球海洋的碳酸盐矿物在沉淀时，会不会也把海洋中的磷酸盐给“接收”到的矿物晶格里了呢？

“就像摄影一样，以某种体例把信息直接记实在了岩石档案中。”李超注释到。他顿时带着团队成员最先尝试验证本身的设法。

他们经由过程节制情况溶液的磷含量、酸碱度、温度和碳酸盐矿物相来研究响应成果，发此刻尝试室各类摹拟情况下，沉淀出的碳酸盐的CAP和溶液中的磷酸根城市有线性关系。

“必然是线性关系，才是可以或许用在重建初期海洋磷含量波动。”李超说。

经由过程现代和古代天然沉积碳酸盐的研究，进一步证实了在特定地史前提下，只要样品未遭到较着的后期成岩感化，不管是从灰岩仍是从白云岩中提取的CAP构成，均能很好地记实那时海水中的磷含量波动。

有了手艺支持，研究团队把将眼光投注到了一段非凡的地层单位，即埃迪卡拉纪SE事务地层。SE事务是埃迪卡拉纪最主要的古海洋氧化事务之一，这段地层记实了地球汗青上最强烈的一次碳酸盐碳同位素负偏移事务，其被认为可能与全球海洋氧化性的显著加强有关，且地层凡是由碳酸盐岩构成，便在CAP手艺的利用。是以，埃迪卡拉纪SE事务地层无疑成了首选方针。

接下来，在李超的兼顾调和下，团队成员搜集了来自中国华南和西北塔里木地域、Australia、美国和墨西哥4个古年夜陆上的6条分歧地域记实了SE事务的剖面样品并展开了CAP阐发。

不测：与曩昔猜测相反的结论

成果让李超不测又振奋。

6条分歧地域记实SE事务剖面的样品CAP数据显示，跟着海洋氧化，其磷含量的波动转变一致，都显现“M”型的演变趋向，这与期望中的现代海洋中的磷和氧负反馈进程判然不同。

“这个是天然科学奇奥的处所，你就发现这么完善地证实了一些工作，在地球上分歧处所记实着一样的一个转变，感觉似乎发现了某个真谛。”至今想起来，李超仍感应兴奋。

李超描写磷含量“M”型的转变时说，跟着海洋的氧化，海洋磷含量先增添，随后降落，呈现了第一个峰值，当海洋氧化水平降落，磷含量先增添后又降落，构成第二个峰值。“虽然在海洋最氧化的时辰，磷含量降到了最低，可是这个最低值与SE事务前后海洋氧化水平最弱时并没有区分，这申明埃迪卡拉纪海洋磷含量和海洋氧化水平之间具有分歧在现代海洋的解耦关系。”

要想被佩服，科研团队必需对这一“反常识”的科学发现进行注释。李超团队和合作者作了进一步阐发，借助改良的生物地球化学模子进行了定性和定量注释。

李超告知《中国科学报》，在第一个阶段，SE事务早期，陆地组织活动，不但碰撞出了诸多的山水年夜陆，也增进了风化感化，这使得单元时候内陆地风化硫酸盐年夜量地向海洋输入，释放出了古海洋消融有机质中所连系的磷。与此同时，古海洋消融有机质氧化释放出的二氧化碳，其进一步加快陆地硅酸盐风化，提高向海洋输送磷的量。

在第二个阶段，因为第一阶段磷的增添，海洋出产力增添，其经由过程光合感化释放氧气，海洋氧化水平增添，增进铁锰氧化物对海水中磷的吸附移除，且移除量逐步年夜在输入量，磷含量再次削减。

第三个阶段，第二阶段海洋磷含金年会量的降落将致使海洋出产力和氧气产率的降落，激发海洋缺氧水平的增添，终究致使沉积物中铁锰氧化物对海水中磷的移除量小在古海洋消融有机质-磷的释放量，磷含量再次增添。

在最后一个阶段，跟着古海洋消融有机质耗损殆尽和陆源风化硫酸盐输入的降落，SE事务趋在竣事，古海洋消融有机质磷释放也慢慢竣事，海洋磷含量也慢慢降落。

“从定性和定量两方面，都能近乎完善地‘重塑’在天然界不雅察到的现象，可以说，我们重塑了埃迪卡拉纪海洋磷氧轮回演变进程。”李超说。

事实上，埃迪卡拉纪可以或许“反应”全部前寒武纪，已有研究注解埃迪卡拉纪海洋，与其他期间的前寒武纪海洋具有类似的海洋化学特点，是以，该研究发现的古海洋磷氧解耦合关系也能够注释，为什么漫长的前寒武纪可以或许一向不变处在主体缺氧状况了。

研究还发现，要想打破前寒武纪海洋内部磷氧轮回的解耦关系，实现海洋的氧化，可能需要海洋外部身分来驱动，例如本研究中陆源风化硫酸盐的快速输入，触发了SE期间海洋的氧化，这注释了地球表层的氧化和复杂生命的突起为什么如斯迟缓，而这一切需要比及距今5.39亿年以来的显生宙才呈现。

引领：需要果断的决心

该研究功效是李超传授团队在曩昔近20年里在晚新元古代-早古生代情况演变范畴里持久研究工作的一次集中表现。

审稿人认为，这项研究回覆了地球演变史上一个主要而热门问题：磷轮回在节制年夜气和海洋氧程度中的脚色；整体而言，这是一个新奇、原创和主要的（科学）进献。

李超在2004年到美国留学进修，2011年学成回到故国，多年的国外“流落”，他看到，在初期地球海洋情况重建范畴里，外国始终处在领跑状况。

“大都的手艺手段都是外国人研发的，他们有前提回覆良多重年夜的科学问题，而我们持久处在被动状况。”这让李超更果断了率领团队冲破难关的决心。他说，曩昔，我们最多能做两类研究：一是复制方式，做人家剩下的；二是拿上好一点的样品，带到国外用人家的手艺手段研究，“这都不是原始立异，手艺研发走到前面，你就可以够把世界看得更透辟，科学研究的前景和意义就会更年夜。”

经由过程手艺立异实现国际科技前沿重年夜原始冲破，李超仍在尽力着，他将继续在古海洋情况演变范畴展开要害卡脖子手艺研发和重年夜科技前沿的攻关。

“这是一个前景不成限量的研究范畴。”李超鼓动勉励更多的研究者插手此中。他暗示，良多矿产资本和油气资本在初期地球海洋情况下构成，这一研究将对相干资本的构成和勘查也有主要的启迪意义。

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图为埃迪卡拉纪Shuram Excursion (SE)事务期间古海洋P轮回与消融有机质（DOM）氧化协同演变概念模子。该模子可以定性注释SE期间CAP和相干古海洋碳轮回、氧化还原前提和陆源风化记实的同步波动。（受访者供图）

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