如今，地球大氣的含氧量約為21%。在很多年前，地球大氣中的氧氣含量?jī)H為現(xiàn)在的1%，這一數(shù)值從1%增加到現(xiàn)在大氣含氧量的60%以上，間隔了近20億年。為什么地球大氣中含氧量的增加如此緩慢？

　　圍繞這一科學(xué)問(wèn)題，中科院南京地質(zhì)古生物研究所（以下簡(jiǎn)稱南京古生物所）研究員朱茂炎領(lǐng)導(dǎo)的中英合作團(tuán)隊(duì)采用多種地球化學(xué)指標(biāo)并結(jié)合數(shù)學(xué)模型，結(jié)合三峽地區(qū)的地層剖面，首次系統(tǒng)論證了巨大海洋溶解有機(jī)碳庫(kù)的存在是元古宙（約25億～5.7億年前）海洋徹底氧化遲緩的關(guān)鍵原因。日前，相關(guān)研究成果發(fā)表于《地球與行星科學(xué)通訊》。

　　質(zhì)疑有機(jī)碳庫(kù)模型

　　從太古宙（40億～25億年前）的無(wú)氧地球，到元古宙的低氧地球，再到顯生宙（5.7億年前延續(xù)至今）的富氧地球，地球上的生物也隨環(huán)境的變化而發(fā)生變化——從原核生物，到真核生物，再到動(dòng)物。地球大氣氧含量與生命演化之間的因果聯(lián)系也成為當(dāng)今備受關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題之一。

　　朱茂炎向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，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，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)。

　　然而，在隨后長(zhǎng)達(dá)十幾億年的時(shí)間內(nèi)，大氣氧含量并沒(méi)有顯著增加，一直到距今5.8億～5.2億年前后，地球發(fā)生了第二次大氧化事件，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)胞真核生物的大爆發(fā)，以及動(dòng)物的快速起源和寒武紀(jì)生命大爆發(fā)。

　　關(guān)于前寒武紀(jì)（地球從誕生到6億年前）大洋中含氧量長(zhǎng)期很低的問(wèn)題，目前學(xué)術(shù)界有一個(gè)理論模型——溶解有機(jī)碳庫(kù)模型。該模型最早由美國(guó)麻省理工學(xué)院教授Daniel Rothman于2003年提出，其依據(jù)是新元古代（10億～5.4億年前）地層中記錄的海水碳同位素的頻繁負(fù)異常事件，并表現(xiàn)出無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳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)巨大的海洋溶解有機(jī)碳庫(kù)，達(dá)到現(xiàn)代大洋溶解有機(jī)碳庫(kù)1000倍以上。

　　朱茂炎解釋道，前寒武紀(jì)這種缺氧的海洋就像一個(gè)現(xiàn)代的巨大沼澤池，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?！爸挥挟?dāng)這個(gè)渾濁并缺氧的海洋得到氧化，海洋和大氣中的氧氣含量才能夠增加。”

　　然而，溶解有機(jī)碳庫(kù)模型隨后遭到學(xué)界質(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(lái)消耗或移除海洋中這一巨大的還原碳庫(kù)。

　　地化模型尋找氧化劑

　　那么，前寒武紀(jì)渾濁缺氧的海洋到底是如何變得清澈且富含氧氣的呢？

　　還有一種假說(shuō)是生物與環(huán)境協(xié)同演化模型。這個(gè)模型認(rèn)為當(dāng)海水中氧氣含量達(dá)到原始動(dòng)物生存的最低需求時(shí)，比如像海綿動(dòng)物這樣的生物的出現(xiàn)可以通過(guò)捕食海水懸浮有機(jī)質(zhì)，加速海水有機(jī)質(zhì)的消耗和埋藏，減少海水中氧氣的消耗，最終導(dǎo)致海洋和大氣中氧氣的增加。

　　隨著氧氣含量的增加，微型浮游動(dòng)物和復(fù)雜動(dòng)物也會(huì)隨之出現(xiàn)，從而形成復(fù)雜的食物網(wǎng)，進(jìn)一步消耗海水中的有機(jī)質(zhì)，再通過(guò)動(dòng)物大顆粒排泄物和尸體形成沉積物，提高了有機(jī)物埋藏的效率，形成了動(dòng)物演化與氧氣增加的正反饋機(jī)制。

　　朱茂炎指出，這種正反饋機(jī)制最終表現(xiàn)為氧氣增加的線性加速，與5.8億～5.2億年前后大氣和海洋氧氣含量多次大規(guī)模波動(dòng)、生物階段性爆發(fā)演化的實(shí)際情況卻不一致。

　　2005年，《科學(xué)》發(fā)文提出，5.51億年前存在一次全球碳同位素負(fù)異常事件，與有機(jī)碳庫(kù)的氧化有關(guān)，使得海洋和大氣中含氧量劇增，導(dǎo)致復(fù)雜生命的出現(xiàn)。

　　研究的焦點(diǎn)再次回到有機(jī)碳庫(kù)的氧化，即尋找氧化劑。

　　朱茂炎團(tuán)隊(duì)的研究始于2003年前后，團(tuán)隊(duì)利用地層學(xué)的研究?jī)?yōu)勢(shì)論證了大規(guī)模造山運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致原來(lái)海盆中形成的巨量蒸發(fā)鹽礦物的風(fēng)化，可以為海洋帶來(lái)持續(xù)性硫酸鹽（氧化劑）輸入，這些硫酸鹽通過(guò)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(guò)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(kù)的減小和海洋的迅速氧化。相關(guān)研究成果2019年發(fā)表于《自然—地球科學(xué)》。

　　雖然這一假說(shuō)為尋找溶解有機(jī)碳庫(kù)的氧化劑來(lái)源提供了解決方案，但該假說(shuō)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。

　　地質(zhì)記錄提供證據(jù)

　　為此，朱茂炎團(tuán)隊(duì)來(lái)到了湖北宜昌?！斑@里有我們需要的剖面。”他說(shuō)。

　　果不其然，科研團(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（陡山沱碳同位素負(fù)異常事件）級(jí)別相同但持續(xù)時(shí)間更短（約1.5百萬(wàn)年）的碳同位素負(fù)異常事件，相當(dāng)于先前識(shí)別的WANCE事件（甕安碳同位素負(fù)異常事件）。

　　國(guó)際上將埃迪卡拉紀(jì)發(fā)生的地球歷史上最大的海洋碳同位素負(fù)異常事件稱為Shuram事件，在我國(guó)華南稱為DOUNCE事件。Shuram/DOUNCE事件的年齡、持續(xù)時(shí)間、全球性和成因機(jī)制，是建立埃迪卡拉紀(jì)全球年代標(biāo)準(zhǔn)和解決埃迪卡拉紀(jì)生命與環(huán)境演化問(wèn)題的關(guān)鍵。

　　為了弄清上述負(fù)異常事件發(fā)生的原因，論文第一作者、南京古生物所副研究員陳波等人利用剖面化石開展了詳細(xì)的碳、氧、硫、鈾、鍶等多同位素體系分析，論證這次碳同位素負(fù)異常事件記錄的是一次由大陸風(fēng)化增強(qiáng)導(dǎo)致硫酸鹽輸入增加進(jìn)而觸發(fā)的短暫海洋氧化事件。

　　這里的大陸風(fēng)化增強(qiáng)所帶來(lái)的海水硫酸鹽含量增加，使深海溶解有機(jī)碳被迅速消耗，海洋開始氧化，大量13C（碳的穩(wěn)定同位素之一）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值急劇下降。隨著風(fēng)化作用減弱，氧化劑被耗盡，海洋迅速恢復(fù)到缺氧狀態(tài)，同時(shí)海水碳酸鹽的碳同位素值恢復(fù)到正值。

　　朱茂炎介紹，這一地球化學(xué)數(shù)據(jù)所揭示的過(guò)程與生物地球化學(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)生的這一過(guò)程與隨后發(fā)生的Shuram/DOUNCE 異常極其一致，支持了團(tuán)體在2019年提出的假說(shuō)，即造山運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致大量氧化劑輸入增加，是埃迪卡拉紀(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。

　　他表示，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提出的溶解有機(jī)碳庫(kù)模型，為溶解有機(jī)碳庫(kù)的存在導(dǎo)致前寒武紀(jì)海洋徹底氧化遲緩提供了直接證據(jù)。

　　科研人員推測(cè)，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(kù)解體的肇始。

　　隨后，多次持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、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(kù)，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)和復(fù)雜海洋生態(tài)系統(tǒng)的出現(xiàn)創(chuàng)造了先決條件。

　　“自此，原始地球基本完成了向現(xiàn)代地球—生命系統(tǒng)的革命性轉(zhuǎn)變?！敝烀渍f(shuō)。沈春蕾