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，一直连结一种很“缺氧”状况，直至晚期，海洋最先本色性氧化，繁杂真核生命最先呈现、发作，且整体连结不变的氧化状况，逐渐演化为现代海洋。

为何初期海洋的“缺氧”状况以及现代海洋的“氧化”状况一直能维持于不变状况？它又是怎样从“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瓜葛，从而鞭策地球向现代宜居性状况演化？

于成都理工年夜学传授李超看来，这是地球演化中最诱人的科学问题之一。于已往的数十年里，外洋科学家一直站于重修初期地球海洋情况演化的最前端，他们把握着开始进的技能手腕。

“技能立异才气驱动科学立异，进步前辈技能是咱们实现领跑这一范畴的要害。”近20年里，李超险些把本身的全数精神投入此中。

近来，李超团队哄骗最新研发的技能，间接追踪古海洋磷含量颠簸，重修了地质要害期埃迪卡拉纪古海洋消融磷含量演化，发明了埃迪卡拉纪海洋生命养分元素磷含量以及海洋氧化水平之间具备差别在现代海洋的瓜葛，提出了外部要素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于在地球宜居性演化以及繁杂生命演化纪律的理解，对于在初期地球海洋情况下相干矿产资源以及油气资源的造成以及勘查也有主要的启迪意思。相干研究结果在5月31日揭晓在《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于《天然》的研究结果。

问题：古海洋为什么不变地“缺氧”？

磷以及氧，是生命存于成长不成缺掉的要害元素。磷是节制现代以及地质汗青期间海洋出产力巨细的首要养分盐，而氧气则是繁杂真核生命代谢所必须的氧化剂，破解两者瓜葛是地球宜居性演化研究的要害内容。

研究注解，于百万年的地质时间标准上，现代海洋中磷以及氧气体现为负反馈瓜葛，即当海洋氧气升高时，磷会削减。海洋会经由过程增长铁锰氧化物吸附等体式格局将磷移出海水进入沉积物，致使海洋出产力和光互助用产氧降落，从而制止海洋进一步氧化。

相反，海洋氧气降低，磷则会增长。“缺氧”的情况下，沉积物中的磷会被再活化，从头开释到海洋中，从而增长海洋出产力以及氧气产量，制止海洋缺氧的扩展。

“磷氧彼此作用，于很年夜水平上，将现代海洋锁定于了一个相对于不变的氧化世界里，使地球上的繁杂生命患上以延续繁衍。”李超告诉《中国科学报》，这是地球体系自我调治的一个主要机制。

而于前寒武纪海洋，缺氧盘踞海洋的主体，且不变维持了漫长的几十亿年。它是怎样不变地维持“缺氧”状况呢？现代海洋中的磷以及氧负反馈历程是否也存于在前寒武纪的海洋中呢？

已往，有科学家预测：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，但于前寒武纪的末了一个阶段，也就是从六亿三千五百万年前连续到五亿三千九百万年前的埃迪卡拉纪，缺氧的海洋呈现了庞大的氧化事务，海洋磷轮回速度以及磷含量也年夜幅增长了，酿成了现代海洋类型的磷轮回。

“他们预测的依据是，地质汗青期间玄色页岩总磷的平均含量于埃迪卡拉纪有了约莫四倍的本色性增长，猜度必定是海洋的氧化加快了海洋磷自身的轮回，致使了海洋磷增长并造成了现代海洋类型的磷轮回，这些终极鞭策了寒武纪生命年夜发作。”李超注释说。

然而，这类猜度并无间接的数据撑持。一个主要的缘故原由是，始终以来缺少可以或许间接有用追踪古海洋消融磷含量的定量指标，前人仅依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颠簸的。

“技能立异驱动科学立异，回覆庞大科学问题。”李超心里很清晰，没有间接重修古海洋要害养分元素磷含质变化的指标技能，本身必需要想措施研发一个。

技能：工欲善其事的“利器”

已往多年，李超领导团队屡次测验考试，终极在2021年景功研发碳酸盐联合态磷酸盐（简称“CAP”）技能，这是作为间接追踪或者重修古海洋磷含量的新手腕。

这是李超畴前人于现代海洋珊瑚研究中获取的灵感。

珊瑚于生长历程中，会接收海水中的磷，并把����APP磷酸盐固定于骨骼傍边，当想知道海水中磷含量发生如何的变迁时，珊瑚会成为一个间接的“证人”。

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

“就像照相同样，以某种体式格局把信息间接记载于了岩石档案中。”李超注释到。他立刻带着团队成员最先试验验证本身的设法。

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相应成果，发明于试验室各类模仿情况下，沉淀出的碳酸盐的CAP以及溶液中的磷酸根城市有线性瓜葛。

“必然是线性瓜葛，才是可以或许用在重修初期海洋磷含量颠簸。”李超说。

经由过程现代以及古代天然沉积碳酸盐的研究，进一步证明了于特定地史前提下，只有样品未遭到较着的后期成岩作用，不管是从灰岩照旧从白云岩中提取的CAP构成，均能很好地记载其时海水中的磷含量颠簸。

有了技能支撑，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，这段地层记载了地球汗青上最强烈的一次碳酸盐碳同位素负偏移事务，其被以为可能与全世界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技能的运用。是以，埃迪卡拉纪SE事务地层无疑成了首选方针。

接下来，于李超的兼顾协调下，团队成员网络了来自中国华南以及西北塔里木地域、Australia、美国以及墨西哥4个古年夜陆上的6条差别地域记载了SE事务的剖面样品并开展了CAP阐发。

不测：与已往猜度相反的结论

成果让李超不测又奋发。

6条差别地域记载SE事务剖面的样品CAP数据显示，跟着海洋氧化，其磷含量的颠簸变迁一致，都出现“M”型的演化趋向，这与指望中的现代海洋中的磷以及氧负反馈历程大相径庭。

“这个是天然科学奇奥之处，你就发明这么完善地证实了一些工作，于地球上差别处所记载着一样的一个变迁，感觉似乎发明了某个真谛。”至今想起来，李超仍感应高兴。

李超描写磷含量“M”型的变迁时说，跟着海洋的氧化，海洋磷含量先增长，随后降落，呈现了第一个峰值，当海洋氧化水平降落，磷含量先增长后又降落，造成第二个峰值。“只管于海洋最氧化的时辰，磷含量降到了最低，可是这个最低值与SE事务先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以及海洋氧化水平之间具备差别在现代海洋的解耦瓜葛。”

要想被信服，科研团队必需对于这一“反知识”的科学发明举行注释。李超团队以及互助者作了进一步阐发，借助革新的生物地球化学模子举行了定性以及定量注释。

李超告诉《中国科学报》，于第一个阶段，SE事务早期，陆地组织运动，不只碰撞出了诸多的山水年夜陆，也促成了风化作用，这使患上单元时间内陆地风化硫酸盐年夜量地向海洋输入，开释出了古海洋消融无机质中所联合的磷。与此同时，古海洋消融无机质氧化开释出的二氧化碳，其进一步加快陆地硅酸盐风化，提高向海洋运送磷的量。

于第二个阶段，因为第一阶段磷的增长，海洋出产力增长，其经由过程光互助用开释氧气，海洋氧化水平增长，促成铁锰氧化物对于海水中磷的吸附移除了，且移除了量逐渐年夜在输入量，磷含量再次削减。

第三个阶段，第二阶段海洋磷含量的降落将致使海洋出产力以及氧气产率的降落，激发海洋缺氧水平的增长，终极致使沉积物中铁锰氧化物对于海水中磷的移除了量小在古海洋消融无机质-磷的开释量，磷含量再次增长。

于末了一个阶段，跟着古海洋消融无机质耗损殆尽以及陆源风化硫酸盐输入的降落，SE事务趋在竣事，古海洋消融无机质磷开释也慢慢竣事，海洋磷含量也慢慢降落。

“从定性以及定量两方面，都能近乎完善地‘重塑’于天然界不雅察到的征象，可以说，咱们重塑了埃迪卡拉纪海洋磷氧轮回演化历程。”李超说。

事实上，埃迪卡拉纪可以或许“反应”整个前寒武纪，已经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备相似的海洋化学特性，是以，该研究发明的古海洋磷氧解耦合瓜葛也能够注释，为什么漫长的前寒武纪可以或许始终不变处在主体缺氧状况了。

研究还发明，要想攻破前寒武纪海洋内部磷氧轮回的解耦瓜葛，实现海洋的氧化，可能需要海洋外部要素来驱动，例如本研究中陆源风化硫酸盐的倏地输入，触发了SE期间海洋的氧化，这注释了地球表层的氧化以及繁杂生命的突起为什么云云迟缓，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：需要坚定的刻意

该研究结果是李超传授团队于已往近20年里于晚新元古代-早古生代情况演化范畴里持久研究事情的一次集中表现。

审稿人以为，这项研究回覆了地球演化史上一个主要而热门问题：磷轮回于节制年夜气以及海洋氧程度中的脚色；整体而言，这是一个新奇、原创以及主要的（科学）孝敬。

李超在2004年到美国留学深造，2011年学成回到故国，多年的外洋“流落”，他看到，于初期地球海洋情况重修范畴里，外国一直处于领跑状况。

“大都的技能手腕都是外国人研发的，他们有前提回覆许多庞大的科学问题，而咱们持久处于被动状况。”这让李超更坚定了领导团队冲破难关的刻意。他说，已往，咱们至多能做两类研究：一是复制要领，做人家剩下的；二是拿上好一点的样品，带到外洋用人家的技能手腕研究，“这都不是原始立异，技能研发走到前面，你就可以把世界看患上更透辟，科学研究的远景以及意思就会更年夜。”

经由过程技能立异实现国际科技前沿庞大原始冲破，李超仍于起劲着，他将继承于古海洋情况演化范畴开展要害洽商技能研发以及庞大科技前沿的攻关。

“这是一个远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，许多矿产资源以及油气资源于初期地球海洋情况下造成，这一研究将对于相干资源的造成以及勘查也有主要的启迪意思。

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图为埃迪卡拉纪Shuram Excursion (SE)事务期间古海洋P轮回与消融无机质（DOM）氧化协同演化观点模子。该模子可以定性注释SE期间CAP及相干古海洋碳轮回、氧化还原前提以及陆源风化记载的同步颠簸。（受访者供图）

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