新聞記者 李碗容
通訊員 孫彥欽
1月6日，中國地質(zhì)大學（武漢）地質(zhì)微生物與環(huán)境全國重點實驗室陳中強教授團隊聯(lián)合英國埃克塞特大學、南京大學團隊，在《自然·地學》（Nature Geoscience）發(fā)表研究成果。該研究通過前沿的數(shù)值模擬方法，首次系統(tǒng)揭示了約5.8億年前地球海洋氧化過程的非線性特征，指出全球海洋曾經(jīng)歷劇烈而規(guī)律的周期性“氧化脈沖”。這一發(fā)現(xiàn)革新了我們對早期地球環(huán)境演變模式的理解。
文章第一作者為地質(zhì)微生物與環(huán)境全國重點實驗室李子珩博士，陳中強教授為唯一通訊作者；?？巳卮髮W蒂姆·倫頓（Tim Lenton）教授、斯圖爾特·戴恩斯（Stuart Daines）和南京大學張飛飛教授參與了本項工作。
研究的核心突破在于成功構建并應用了“自持振蕩”數(shù)值模型（圖1）。團隊創(chuàng)新性地模擬了埃迪卡拉紀中期的“磷-氧-碳”（P-O-C）生物地球化學循環(huán)，將5.79億年前的“加斯基爾斯冰期”與其前后的全球性增氧事件直接動力學關聯(lián)。模型結果表明，當時的地球系統(tǒng)處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，能夠在缺氧與富氧兩個穩(wěn)態(tài)之間發(fā)生周期性振蕩，周期約為500萬年，且在約2000萬年內(nèi)至少規(guī)律性地發(fā)生了三次。
模型狀態(tài)從穩(wěn)定缺氧轉(zhuǎn)變?yōu)闃O限循環(huán)波動，這一轉(zhuǎn)變由逐步增加的總有機碳埋藏所驅(qū)動。
研究將這一過程形象地比喻為“蹺蹺板”機制：在富氧階段，關鍵營養(yǎng)元素磷被鎖在海底沉積物中，抑制了后續(xù)的初級產(chǎn)氧生產(chǎn)；氧氣水平的下降又導致磷被重新釋放回海水，為下一輪生物繁榮和產(chǎn)氧激增準備了“燃料”，從而驅(qū)動系統(tǒng)進入下一個循環(huán)。這種由系統(tǒng)內(nèi)部反饋驅(qū)動的“自持振蕩”，是首次通過數(shù)值模擬在該關鍵地質(zhì)時期得到清晰揭示和驗證。
研究的實證基礎來自澳大利亞西北部“依甘組”的巖石記錄。團隊從這些巖層中提取了碳、鈾等同位素數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了清晰且同步的“碳降鈾升”信號模式。這一指標顯示了海洋生產(chǎn)力變化與氧化狀態(tài)的緊密耦合關系。
“數(shù)值模擬的成功之處在于，它不僅能解釋我們觀測到的同位素信號，更重要的是，它預測并重現(xiàn)了這種周期性波動的內(nèi)在邏輯?！崩钭隅癫┦繌娬{(diào)，“模型結果與地質(zhì)記錄的高度吻合，證實了‘氧氣脈沖’并非隨機事件，而是當時地球系統(tǒng)內(nèi)在不穩(wěn)定性的必然表現(xiàn)。”
地球系統(tǒng)碳－氧－磷－鈾（C-O-P-U）耦合系統(tǒng)狀態(tài)示意圖。
該模擬研究首次為早期復雜生命的“爆發(fā)式”出現(xiàn)提供了動態(tài)環(huán)境背景框架。模型顯示的三次氧氣脈沖高峰期，在時間上與全球最早一批復雜多細胞生物群（如我國的“藍田生物群”“甕安生物群”等）的繁盛期高度吻合。這表明，是地球系統(tǒng)自身的周期性振蕩，而非緩慢的線性增氧，為生命復雜化創(chuàng)造了關鍵的“機會窗口”。
元古宙末期“雪球地球”事件后，海洋經(jīng)歷了周期性增氧。這驅(qū)動地球系統(tǒng)從以前穩(wěn)定缺氧的狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)楦谎跖c缺氧交替的不穩(wěn)定狀態(tài)，并最終演進為宜居地球，為動物的誕生與演化奠定了基礎。徐涵 繪
“這項研究從根本上改變了我們的視角。”陳中強教授指出，“地球從長期缺氧狀態(tài)向富氧狀態(tài)的過渡，并非平靜的‘漸變’，而是必然要經(jīng)歷一個充滿劇烈波動的‘動蕩青春期’。數(shù)值模擬幫助我們捕捉到了這一系統(tǒng)轉(zhuǎn)換期的本質(zhì)規(guī)律?！彼a充介紹，地球系統(tǒng)的不穩(wěn)定狀態(tài)就像地球的“青春叛逆期”。
此前，該團隊在《自然·通訊》上發(fā)布了自主研發(fā)的“自持振蕩”數(shù)值模型框架（Li et al., 2025），本次研究成功將該模型應用于更古老的地質(zhì)歷史事件解析，并取得了實證支持和延續(xù)性突破，展現(xiàn)了數(shù)值模擬在深時地球科學研究中的強大能力。
陳中強教授介紹，“自持振蕩”數(shù)值模型框架不僅僅是對特定地質(zhì)事件的重建，更構建了一個理解復雜地球系統(tǒng)行為的通用框架，它能將復雜地球系統(tǒng)簡化為由關鍵物質(zhì)循環(huán)構成的微分方程組，讓地球的動態(tài)行為對應方程解的穩(wěn)定性特征；系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于內(nèi)部結構，在外部驅(qū)動力作用下，穩(wěn)定性變化意味著系統(tǒng)可能跨越關鍵臨界點（Tipping points），進而觸發(fā)周期性振蕩或狀態(tài)突變。這一視角不僅有助于解讀地球歷史中的重大轉(zhuǎn)變，也為認識當代地球系統(tǒng)演變提供重要啟示。
