大氣氧含量與生命演化之間的因果聯(lián)系是最備受關(guān)注的重要科學(xué)問題之一。已有研究顯示，早期地球極端缺氧，直至距今大約24億年前后發(fā)生第一次大氧化事件。當(dāng)時(shí)大氣中的氧氣達(dá)到了現(xiàn)代大氣氧含量的1%水平以上，導(dǎo)致真核生物在地球上首次出現(xiàn)。但奇怪的是，在隨后長達(dá)十幾億年的時(shí)間內(nèi)，大氣氧含量并沒有顯著增加，一直到距今5.8-5.2億年前后發(fā)生的第二次大氧化事件，大氣中的氧含量才增加到現(xiàn)代大氣氧含量的60%以上的水平，從而可能觸發(fā)了多細(xì)胞真核生物的大輻射，以及動(dòng)物的快速起源和寒武紀(jì)爆發(fā)。

　　為什么在第一次大氧化事件之后，地球大氣和海洋的氧化程度遲滯了近20億年，直到5.8-5.2億年前后才發(fā)生急劇增加呢？  

　　針對(duì)這一科學(xué)問題，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所朱茂炎研究員領(lǐng)導(dǎo)的中英合作團(tuán)隊(duì)開展了多年的探索。他們采用多種地球化學(xué)指標(biāo)并結(jié)合數(shù)學(xué)模型首次系統(tǒng)論證了巨大海洋溶解有機(jī)碳庫（DOC）的存在是遲滯元古宙海洋徹底氧化的關(guān)鍵原因。該成果在著名地球科學(xué)期刊《地球與行星科學(xué)通訊》（Earth and Planetary Science Letters）發(fā)表；陳波副研究員為該文第一作者，朱茂炎研究員為通訊作者。 

　　溶解有機(jī)碳庫模型（DOC）最早由美國麻省理工的Rothman在2003年提出，其依據(jù)是全球新元古代地層中記錄的海水碳同位素的頻繁負(fù)漂移事件，并表現(xiàn)無機(jī)碳（δ¹³C_carb）和有機(jī)碳（δ¹³C_org）同位素變化之間的不耦合現(xiàn)象。該模型認(rèn)為，前寒武紀(jì)海洋表層透光帶內(nèi)進(jìn)行光合作用的微生物主要是原核生物，這些微生物死亡后的有機(jī)質(zhì)顆粒細(xì)小、沉降速率慢，在海水中不斷積累形成一個(gè)巨大海洋溶解有機(jī)碳庫，超過現(xiàn)代大洋溶解有機(jī)碳庫1000倍以上。由于這種以細(xì)菌為主的細(xì)小有機(jī)質(zhì)顆粒易于氧化降解，大量消耗海水中氧氣，從而導(dǎo)致了大洋的長期缺氧并阻止了大氣氧化的增加。這種現(xiàn)象可以將前寒武紀(jì)海洋想象成一個(gè)巨大的現(xiàn)代沼澤池，水體中大量腐殖有機(jī)質(zhì)不斷消耗著氧氣，導(dǎo)致水體渾濁并缺氧。只有當(dāng)這個(gè)渾濁、高度還原的溶解有機(jī)碳庫被徹底移除，大氣和海洋的氧氣含量才能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)質(zhì)增加。但這一模型隨后遭受到質(zhì)疑，質(zhì)疑的焦點(diǎn)集中在新元古代地球不可能提供足夠的氧化劑來消耗/移除海洋中這一巨大的還原碳庫。 

　　2019年，該中英合作團(tuán)隊(duì)在《自然-地球科學(xué)》（Nature Geoscience）上發(fā)文提出：大規(guī)模造山運(yùn)動(dòng)可以導(dǎo)致原來海盆中形成巨量蒸發(fā)鹽礦物的風(fēng)化，為海洋帶來持續(xù)性硫酸鹽（氧化劑）輸入，這些硫酸鹽通過硫酸鹽還原菌大規(guī)模消耗海水中的溶解有機(jī)碳，并通過黃鐵礦的大規(guī)模埋藏（產(chǎn)氧），最終導(dǎo)致海洋中溶解有機(jī)碳庫的減小和海洋的迅速氧化。這一假說為溶解機(jī)碳庫模型面臨的氧化劑來源這一挑戰(zhàn)提供了解決方案，但是，該假說主要依賴于生物地球化學(xué)模型的數(shù)值模擬，缺乏具體地質(zhì)記錄和地球化學(xué)證據(jù)的直接論證。 

　　本次研究，該團(tuán)隊(duì)在三峽地區(qū)南坨村剖面埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組地層（約6億年之前）中識(shí)別出一個(gè)與地質(zhì)歷史上全球最大的Shuram/DOUNCE事件（陡山沱負(fù)碳同位素負(fù)偏移事件)級(jí)別相同、但持續(xù)時(shí)間更短（~1.5 百萬年）的碳同位素負(fù)偏移事件，相當(dāng)于先前識(shí)別WANCE事件(甕安負(fù)碳同位素偏移事件）。為了弄清這一負(fù)漂移事件發(fā)生的原因，團(tuán)隊(duì)開展了詳細(xì)的碳、氧、硫、鈾、鍶等多同位素體系分析，論證了這次碳同位素負(fù)漂移事件記錄的是一次由大陸風(fēng)化增強(qiáng)導(dǎo)致的硫酸鹽輸入增加所觸發(fā)的短暫海洋氧化事件。 

　　大陸風(fēng)化增強(qiáng)（鍶同位素比值⁸⁷Sr/⁸⁶Sr增加）所帶來的海水硫酸鹽含量增加（黃鐵礦和碳酸鹽中硫同位素差值Δδ³⁴S_CAS-pyr>～35‰) 使深海溶解有機(jī)碳（DOC）被迅速消耗，海洋開始氧化（鈾同位素δ²³⁸U值增加），大量¹³C虧損的有機(jī)碳被氧化并釋放到海水中，導(dǎo)致同期海水碳酸鹽的碳同位素δ¹³C值急劇下降（最低點(diǎn) ~-10‰）。隨著風(fēng)化作用減弱（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr下降），氧化劑被耗盡（Δδ³⁴S_CAS-pyr值下降），海洋迅速恢復(fù)到缺氧狀態(tài)（δ²³⁸U值下降），同時(shí)δ¹³C 恢復(fù)到正值（圖1）。 

　　這一地球化學(xué)數(shù)據(jù)所揭示的過程與利用生物地球化學(xué)模型的數(shù)值模擬結(jié)果非常吻合。特別有意義的是，WANCE事件發(fā)生這一過程與隨后發(fā)生的Shuram/DOUNCE 異常極其一致（圖2），支持了該團(tuán)隊(duì)2019年提出的假說，即造山運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致大量氧化劑輸入增加是導(dǎo)致埃迪卡拉紀(jì)海洋氧化和極端碳同位素負(fù)偏移事件的主要驅(qū)動(dòng)因素，這種海洋氧化還原狀態(tài)和氧化劑供應(yīng)之間的動(dòng)態(tài)平衡完全符合Rothman的溶解有機(jī)碳庫模型；為溶解有機(jī)碳庫的存在是遲滯前寒武紀(jì)海洋徹底氧化的關(guān)鍵原因提供了直接證據(jù)。 

　　發(fā)生在埃迪卡拉紀(jì)早期的WANCE事件，可能標(biāo)志著這一大型深海溶解有機(jī)碳庫解體的肇始。隨后多次持續(xù)時(shí)間更長、強(qiáng)度更大的脈沖式氧化劑輸入事件，不斷消耗大洋中的溶解有機(jī)碳庫，促使其最終在寒武紀(jì)早期消亡，海洋變得更加氧化，為動(dòng)物在寒武紀(jì)早期的大爆發(fā)（寒武紀(jì)生命大爆發(fā)）和復(fù)雜海洋生態(tài)系統(tǒng)的出現(xiàn)創(chuàng)造了先決條件（圖2）。 

　　該研究得到中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)（B）項(xiàng)目和國家自然基金（NSFC）的資助。 

　　論文信息：Chen, B., Hu, C., Mills, B.J.W., He, T., Andersen, M.B., Chen, X., Liu, P., Lu, M., Newton, R.J., Poulton, S.W., Shields, G.A., Zhu, M.*, 2022. A short-lived oxidation event during the early Ediacaran and delayed oxygenation of the Proterozoic ocean. Earth and Planetary Science Letters 577, 117274. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117274. 

圖1 湖北宜昌南沱村埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組剖面的碳、硫、鈾、鍶同位素變化 

圖2 埃迪卡拉紀(jì)重要的生物革新事件、海洋氧化還原狀態(tài)以及鈾、鍶、碳同位素記錄