《自然》：早期地球的海洋为何能维持漫长的缺氧？

图为埃迪卡拉纪Shuram Excursion (SE)事件时期古海洋P循环与溶解有机质（DOM）氧化协同演化概念模型。该模型可以定性解释SE时期CAP及相关古海洋碳循环、氧化还原条件和陆源风化记录的同步波动。（受访者供图）

（化石网）据中国科学报（韩扬眉 杨晨）：地球迄今约有45—46亿岁，早期约40亿年的历史称为前寒武纪。前寒武纪的海洋，总体而言，始终保持一种很“缺氧”状态，直至晚期，海洋开始实质性氧化，复杂真核生命开始出现、爆发，且总体保持稳定的氧化状态，逐渐演化为现代海洋。

为什么早期海洋的“缺氧”状态和现代海洋的“氧化”状态始终能维持在稳定状态？它又是如何从“缺氧”切换到“氧化”的？生命关键组成元素——磷，其与氧之间是怎样的关系，从而推动地球向现代宜居性状态演化？

在成都理工大学教授李超看来，这是地球演化中最迷人的科学问题之一。在过去的数十年里，国外科学家始终站在重建早期地球海洋环境演化的最前端，他们掌握着最先进的技术手段。

“技术创新才能驱动科学创新，先进技术是我们实现领跑这一领域的关键。”近20年里，李超几乎把自己的全部精力投入其中。

最近，李超团队利用最新研发的技术，直接追踪古海洋磷含量波动，重建了地质关键期埃迪卡拉纪古海洋溶解磷含量演化，发现了埃迪卡拉纪海洋生命营养元素磷含量和海洋氧化程度之间具有不同于现代海洋的关系，提出了外部因素是古海洋实现氧化的原始驱动力假说。

这一研究极大深化了人类对于地球宜居性演化和复杂生命演化规律的理解，对于早期地球海洋环境下相关矿产资源和油气资源的形成和勘查也有重要的启示意义。相关研究成果于5月31日发表于《自然》杂志。这也是成都理工大学建校以来的首个以第一作者单位刊发在《自然》的研究成果。

磷和氧，是生命存在发展不可缺失的关键元素。磷是控制现代和地质历史时期海洋生产力大小的首要营养盐，而氧气则是复杂真核生命代谢所必需的氧化剂，破解二者关系是地球宜居性演化研究的关键内容。

研究表明，在百万年的地质时间尺度上，现代海洋中磷和氧气表现为负反馈关系，即当海洋氧气升高时，磷会减少。海洋会通过增加铁锰氧化物吸附等方式将磷移出海水进入沉积物，导致海洋生产力以及光合作用产氧下降，从而阻止海洋进一步氧化。

相反，海洋氧气降低，磷则会增加。“缺氧”的环境下，沉积物中的磷会被再活化，重新释放到海洋中，从而增加海洋生产力和氧气产量，阻止海洋缺氧的扩大。

“磷氧相互作用，在很大程度上，将现代海洋锁定在了一个相对稳定的氧化世界里，使地球上的复杂生命得以延续繁衍。”李超告诉《中国科学报》，这是地球系统自我调节的一个重要机制。

而在前寒武纪海洋，缺氧占据海洋的主体，且稳定维持了漫长的几十亿年。它是如何稳定地维持“缺氧”状态呢？现代海洋中的磷和氧负反馈过程是否也存在于前寒武纪的海洋中呢？

过去，有科学家猜测：由于前寒武纪海洋缺氧，海洋磷循环速率很低，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持续到五亿三千九百万年前的埃迪卡拉纪，缺氧的海洋出现了重大的氧化事件，海洋磷循环速率和磷含量也大幅增加了，变成了现代海洋类型的磷循环。

“他们猜测的依据是，地质历史时期黑色页岩总磷的平均含量在埃迪卡拉纪有了大约四倍的实质性增加，推测肯定是海洋的氧化加速了海洋磷自身的循环，导致了海洋磷增加并形成了现代海洋类型的磷循环，这些最终推动了寒武纪生命大爆发。”李超解释说。

然而，这种推测并没有直接的数据支持。一个重要的原因是，一直以来缺乏能够直接有效追踪古海洋溶解磷含量的定量指标，前人仅依据沉积岩中的总磷含量，是无法准确定量古海洋中溶解磷的波动的。

“技术创新驱动科学创新，回答重大科学问题。”李超心里很清楚，没有直接重建古海洋关键营养元素磷含量变化的指标技术，自己必须要想办法研发一个。

过去多年，李超带领团队多次尝试，最终于2021年成功研发碳酸盐结合态磷酸盐（简称“CAP”）技术，这是作为直接追踪或重建古海洋磷含量的新手段。

这是李超从前人在现代海洋珊瑚研究中获取的灵感。

珊瑚在生长过程中，会吸收海水中的磷，并把磷酸盐固定在骨骼当中，当想知道海水中磷含量发生怎样的变化时，珊瑚会成为一个直接的“证人”。

李超受到启发后思考：早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“吸收”到的矿物晶格里了呢？

“就像拍照一样，以某种方式把信息直接记录在了岩石档案中。”李超解释到。他马上带着团队成员开始实验验证自己的想法。

他们通过控制环境溶液的磷含量、酸碱度、温度以及碳酸盐矿物相来研究响应结果，发现在实验室各种模拟环境下，沉淀出的碳酸盐的CAP和溶液中的磷酸根都会有线性关系。

“一定是线性关系，才是能够用于重建早期海洋磷含量波动。”李超说。 

通过现代和古代自然沉积碳酸盐的研究，进一步证实了在特定地史条件下，只要样品未受到明显的后期成岩作用，无论是从灰岩还是从白云岩中提取的CAP组成，均能很好地记录当时海水中的磷含量波动。

有了技术支撑，研究团队把将目光投注到了一段特殊的地层单元，即埃迪卡拉纪SE事件地层。SE事件是埃迪卡拉纪最重要的古海洋氧化事件之一，这段地层记录了地球历史上最强烈的一次碳酸盐碳同位素负偏移事件，其被认为可能与全球海洋氧化性的显著增强有关，且地层通常由碳酸盐岩组成，便于CAP技术的应用。因此，埃迪卡拉纪SE事件地层无疑成为了首选目标。

接下来，在李超的统筹协调下，团队成员收集了来自中国华南和西北塔里木地区、澳大利亚、美国和墨西哥4个古大陆上的6条不同地区记录了SE事件的剖面样品并开展了CAP分析。

结果让李超意外又振奋。

6条不同地区记录SE事件剖面的样品CAP数据显示，随着海洋氧化，其磷含量的波动变化一致，都呈现“M”型的演化趋势，这与期望中的现代海洋中的磷和氧负反馈过程截然不同。

“这个是自然科学奇妙的地方，你就发现这么完美地证明了一些事情，在地球上不同地方记录着同样的一个变化，觉得好像发现了某个真理。”至今想起来，李超仍感到兴奋。

李超描述磷含量“M”型的变化时说，随着海洋的氧化，海洋磷含量先增加，随后下降，出现了第一个峰值，当海洋氧化程度下降，磷含量先增加后又下降，形成第二个峰值。“尽管在海洋最氧化的时候，磷含量降到了最低，但是这个最低值与SE事件前后海洋氧化程度最弱时并无区别，这说明埃迪卡拉纪海洋磷含量和海洋氧化程度之间具有不同于现代海洋的解耦关系。”

要想被信服，科研团队必须对这一“反常识”的科学发现进行解释。李超团队和合作者作了进一步分析，借助改进的生物地球化学模型进行了定性和定量解释。

李超告诉《中国科学报》，在第一个阶段，SE事件初期，陆地构造运动，不仅碰撞出了诸多的山川大陆，也促进了风化作用，这使得单位时间内陆地风化硫酸盐大量地向海洋输入，释放出了古海洋溶解有机质中所结合的磷。与此同时，古海洋溶解有机质氧化释放出的二氧化碳，其进一步加速陆地硅酸盐风化，提高向海洋输送磷的量。

在第二个阶段，由于第一阶段磷的增加，海洋生产力增加，其通过光合作用释放氧气，海洋氧化程度增加，促进铁锰氧化物对海水中磷的吸附移除，且移除量逐渐大于输入量，磷含量再次减少。

第三个阶段，第二阶段海洋磷含量的下降将导致海洋生产力和氧气产率的下降，引发海洋缺氧程度的增加，最终导致沉积物中铁锰氧化物对海水中磷的移除量小于古海洋溶解有机质-磷的释放量，磷含量再次增加。

在最后一个阶段，随着古海洋溶解有机质消耗殆尽和陆源风化硫酸盐输入的下降，SE事件趋于结束，古海洋溶解有机质磷释放也逐步结束，海洋磷含量也逐步下降。

“从定性和定量两方面，都能近乎完美地‘重塑’在自然界观察到的现象，可以说，我们重塑了埃迪卡拉纪海洋磷氧循环演化过程。”李超说。

事实上，埃迪卡拉纪能够“反映”整个前寒武纪，已有研究表明埃迪卡拉纪海洋，与其他时期的前寒武纪海洋具有相似的海洋化学特征，因此，该研究发现的古海洋磷氧解耦合关系也可以解释，为何漫长的前寒武纪能够一直稳定处于主体缺氧状态了。

研究还发现，要想打破前寒武纪海洋内部磷氧循环的解耦关系，实现海洋的氧化，可能需要海洋外部因素来驱动，例如本研究中陆源风化硫酸盐的快速输入，触发了SE时期海洋的氧化，这解释了地球表层的氧化和复杂生命的崛起为何如此缓慢，而这一切需要等到距今5.39亿年以来的显生宙才出现。

 该研究成果是李超教授团队在过去近20年里在晚新元古代-早古生代环境演化领域里长期研究工作的一次集中体现。

审稿人认为，这项研究回答了地球演化史上一个重要而热点问题：磷循环在控制大气和海洋氧水平中的角色；总体而言，这是一个新颖、原创和重要的（科学）贡献。

李超于2004年到美国留学深造，2011年学成回到祖国，多年的国外“漂泊”，他看到，在早期地球海洋环境重建领域里，外国始终处在领跑状态。

“多数的技术手段都是外国人研发的，他们有条件回答很多重大的科学问题，而我们长期处在被动状态。”这让李超更坚定了带领团队突破难关的决心。他说，过去，我们最多能做两类研究：一是复制方法，做人家剩下的；二是拿上好一点的样品，带到国外用人家的技术手段研究，“这都不是原始创新，技术研发走到前面，你就能够把世界看得更透彻，科学研究的前景和意义就会更大。”

通过技术创新实现国际科技前沿重大原始突破，李超仍在努力着，他将继续在古海洋环境演化领域开展关键卡脖子技术研发和重大科技前沿的攻关。

“这是一个前景不可限量的研究领域。”李超鼓励更多的研究者加入其中。他表示，很多矿产资源和油气资源在早期地球海洋环境下形成，这一研究将对相关资源的形成和勘查也有重要的启示意义。（原标题：《自然》：早期海洋为何能维持漫长的缺氧？）

（化石网）据成都理工大学：我校油气藏地质及开发工程全国重点实验室、沉积地质研究院、沉积与生物地球化学国际研究中心李超教授研究团队于2023年5月31日在国际权威学术期刊Nature上在线发表题为“Uncovering the Ediacaran phosphorus cycle”（“解密埃迪卡拉纪磷循环”）的重要研究成果，这是我校自建校以来首篇以我校作为第一作者单位的Nature研究论文。参与这项工作的还有中国地质大学（武汉）、美国密歇根州立大学东兰辛分校、美国加州州立大学富尔顿分校、澳大利亚墨尔本大学、英国利兹大学、美国加州大学河边分校的专家学者。该成果利用李超教授团队新近研发的能够直接追踪古海洋磷含量波动的碳酸盐结合态磷酸盐（Carbonate-Associated Phosphate，简称CAP）技术，重建了地质关键期埃迪卡拉纪（635-539 Ma）古海洋溶解磷含量演化，发现了埃迪卡拉纪海洋生命营养元素磷含量和海洋氧化程度之间具有不同于现代海洋的解耦关系，提出了海洋外部因素是驱动埃迪卡拉纪海洋乃至整个早期地球海洋从缺氧向氧化转变的原始动力假说，这一成果揭示了前寒武纪海洋维持漫长缺氧状态的根本原因和早期地球缺氧海洋最终实现氧化的根本机制，极大深化了人类对于地球宜居性演化和复杂生命演化规律的理解。这一成果对于早期地球海洋环境下相关矿产资源和油气资源的形成和勘查也有重要的启示意义。

论文信息： Matthew Dodd, Wei Shi (石炜), Chao Li (李超; 通讯作者), Zihu Zhang (张子虎), Meng Cheng (程猛), Haodong Gu (谷昊东), Dalton Hardisty, Sean Loyd, Malcolm Wallace, Ashleigh Hood, Kelsey Lamothe. Benjamin Mills, Simon Poulton, Timothy Lyons. (2023) Uncovering the Ediacaran phosphorus cycle. Nature. ISSN 0028-0836 (In Press).

DOI: s41586-023-06077-6

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06077-6

作为生命关键组成元素，磷（P）是控制现代和地质历史时期海洋生产力大小的首要营养盐，而氧气（O2）则是复杂真核生命代谢所必需的氧化剂，破解二者关系是地球宜居性演化研究的关键内容。现代海洋中，P和O2（或氧化程度）在百万年的地质尺度上表现为负反馈关系：当海洋O2升高时，海洋会通过增加铁氧化物吸附等方式将P移出海水进入沉积物，导致海洋生产力以及光合作用产氧下降，从而阻止海洋进一步氧化；相反，海洋O2降低（即海洋出现缺氧时）会将沉积物中的P再活化而重新释放到海洋中，从而增加海洋生产力和氧气产量，阻止海洋缺氧的扩大。这一负反馈机制在很大程度上将现代海洋，乃至显生宙（<539 Ma）氧化为主体的海洋锁定在了一个相对稳定的氧化世界里，使地球上的复杂真核生命得以延续繁衍。很多研究表明：前寒武纪（>539 Ma）海洋具有分层结构，氧化仅存在于海洋的表层，而缺氧占据海洋的主体。那么，显生宙氧化海洋P-O2负反馈过程是否也存在于前寒武纪的海洋中呢？对此，科学家还不能给出很好的回答，其中一个重要原因在于缺乏能够直接有效追踪古海洋溶解P含量的定量指标，因而无法准确定量古海洋中溶解P的波动。为此，李超教授团队通过不断尝试终于在2021年成功研发出能够直接追踪古海洋P含量波动的新指标—碳酸盐结合态磷酸盐（Carbonate-Associated Phosphate，简称CAP），为上述重大科学问题的回答提供了可能。

埃迪卡拉纪作为前寒武纪/显生宙转折期，见证了动物的早期多样化、大气-海洋的氧化以及地球历史上最强烈的碳同位素（δ13Ccarb）负偏移事件（称为Shuram Excursion事件；简称SE事件）；有迹象表明海洋P循环在埃迪卡拉纪也发生了重大转变（即从前寒武纪缺氧海洋小P储库、慢循环转变为现代氧化海洋大P储库、快循环）。对该时期开展海洋氧化事件P循环研究将有可能对早期地球海洋P-O2循环相互作用关系这一重大科学问题给出回答。SE事件是埃迪卡拉纪最重要的古海洋氧化事件之一，其δ13Ccarb的剧烈负偏常被解释为古海洋溶解有机质（Dissolved Organic Matter, 简称DOM）库随着古海洋的氧化而被氧化并释放出同位素很轻的无机碳贡献沉积碳酸盐的形成所致。此外，SE事件地层通常由碳酸盐岩组成，这非常有利于将CAP技术的应用。因此，埃迪卡拉纪SE事件地层无疑成为了首选目标。

在李超教授的统筹协调下，团队成员Matthew Dodd、张子虎、程猛和谷昊东在美国密歇根州立大学东兰辛分校、加州州立大学富尔顿分校、加州大学河边分校和澳大利亚墨尔本大学以及国内相关单位的研究人员帮助下，收集了来自中国华南和西北塔里木地区、澳大利亚、美国和墨西哥4个古大陆上的6条不同地区记录SE事件剖面的样品，并分析了相应的CAP和δ13Ccarb数据。结果显示，在SE事件中，各地区的CAP组成在δ13Ccarb最初负偏阶段和后期恢复阶段出现了脉冲式增加，呈现出“M”型演化趋势（图1）。这一现象与同地层δ238U数据指示的海洋氧化先单调增加后单调减少形成鲜明对比（图1）。令人震惊的发现是：尽管当δ238U数据显示海洋最氧化时，CAP记录所显示的古海洋溶解P含量确实处于低值，但是这个最低值与SE事件前后δ238U数据指示海洋氧化程度最弱时的CAP值并无区别；此外，在SE事件开始阶段δ238U数据显示海洋逐步氧化，而CAP记录却开始增加并出现“M”中的第一个峰值。这些观察表明当时古海洋中P含量的变化与海洋的氧化程度在很大程度上是解耦的，这与期望中的显生宙氧化海洋中P-O2循环耦合关系截然不同。

为解释SE事件CAP独特的“M”型演化趋势及其与δ238U所记录的古海洋氧化还原演化关系，研究团队还测试或收集和对比了地层中相应的碳酸盐结合态硫酸盐硫同位素（δ34SCAS; 注：用于反映海洋硫酸盐含量波动）和锶同位素（87Sr/86Sr；注：用于反映陆地风化波动）记录。研究团队石炜研究员与英国利兹大学Benjamin Mills副教授合作，利用改进的COPSE (Carbon-Oxygen-Phosphorus-Sulfur Evolution) 模型对SE时期CAP-δ238U-δ13Ccarb-δ34SCAS-87Sr/86Sr多元地球化学记录进行了定性解释（图2）和定量模拟（图3），发现CAP的“M”型演化趋势可以被硫酸盐氧化海洋DOM库所驱动的C-O-P-S循环近乎“完美”解释。具体为：阶段1：SE事件初期，高陆源风化导致的高陆源硫酸盐向海洋的输入导致了古海洋DOM的氧化，释放出了DOM中所结合的P，导致了CAP的第一次脉冲式增加；此外，DOM 氧化释放的CO2会导致pCO2升高，其进一步加速陆地硅酸盐风化和提高向海洋输送的风化P的通量，这共同造就第一次CAP的快速增加；阶段2：阶段1海洋P的增加提高了海洋生产力和有机碳埋藏，促进了氧气的释放，导致了海洋氧化程度的增加。海洋氧化促进了铁锰氧化物对海水中P的吸附移除，该效应逐渐超过了DOM中P的氧化释放，导致了海水中P浓度降低和CAP的减少；阶段3: 阶段2海洋P含量的下降将导致海洋生产力和氧气产率的下降，引发海洋缺氧程度的增加，最终导致沉积物中铁锰氧化物对海水中P的吸附小于DOM-P的释放，从而形成CAP的第二次脉冲式增加; 阶段4：随着DOM消耗殆尽和陆源风化硫酸盐输入的下降，SE事件趋于结束，DOM-P释放也逐步结束，CAP也逐步下降。

李超教授认为埃迪卡拉纪海洋P-O2循环的解耦合很可能与当时古海洋具有极小的P库有关，这可能是当时广泛缺氧铁化环境（注：一种缺氧和富含Fe2+的水体环境）通过有机磷或蓝铁矿等持续对海洋P移除的结果。“已有研究表明埃迪卡拉纪海洋与其他时期的前寒武纪海洋具有相似的海洋化学特征，因此，本研究观察到的海洋内部P-O2循环的解耦或者极弱的耦合关系很可能存在于整个前寒武纪；若是如此，这一P-O2循环解耦或弱耦合关系将把前寒武纪的大气-海洋系统锁定在长期缺氧的状态。这就解释了为何漫长的前寒武纪能够一直稳定处于主体缺氧状态了。”李超教授说。 “本研究的定性和定量模拟结果显示，只有当陆源风化硫酸盐注入海洋并触发海洋DOM氧化且按照上述过程演进时，上述CAP-δ238U-δ13Ccarb-δ34SCAS-87Sr/86Sr多元地球化学记录才能被同步重现，暗示了要想打破前寒武纪海洋内部P-O循环的解耦和实现海洋的氧化可能需要海洋外部因素来驱动，例如本研究中陆源风化硫酸盐的快速输入触发了SE时期海洋的氧化，这解释了地球表层的氧化和复杂生命的崛起为何如此缓慢，而这一切需要等到显生宙广泛的海洋铁化条件消失、海洋硫酸盐含量极大的提高和现代海洋P-O循环耦合建立后才出现！”本文第一作者Matt Dodd博士说到。

该成果是李超教授团队在过去近20年里在晚新元古代-早古生代早期环境演化领域里长期研究工作的一次集中体现。李超教授研究团队注重以技术创新驱动科学创新，连续在Science、PNAS、Geology、EPSL、GCA、Science Bulletin、Science China: Earth Science等国内外重要学术刊物上发表相关论文，逐步形成了以分层海洋化学结构耦合碳-氧-硫-磷循环为特征的前寒武纪大气-海洋系统演化理论体系。目前，成都理工大学依托沉积地质研究院和油气藏地质及开发工程全国重点实验室成立了以李超教授领衔的“沉积与生物地球化学国际研究中心”，旨在打造国际一流的研究与技术平台，期待与国内外同行携手共进，共攀地球科学高峰。

该成果得到国家自然科学基金（41825019，42130208，41821001）、国家重点研发计划项目（2022YFF0800100）、中国博士后国际交流计划、中国博士后科学基金、“Forrest”研究基金、西澳大学地球科学系和NASA天体生物学研究所（合作协议NNA15BB03A）的资助。

作者贡献：李超教授（成都理工大学）领导了此项研究。李超教授和Matt Dodd博士（成都理工大学柔性引进客座教授，李超教授前博士后）设计了此项研究。Matt Dodd博士、张子虎博士（成都理工大学）、程猛研究员（成都理工大学）、谷昊东博士生（中国地质大学-武汉）开展了实验分析。石炜博士（成都理工大学）和Ben Mills副教授（英国利兹大学）开展了模型分析。李超教授, Timothy Lyons教授（加州大学河滨分校）, Dalton Hardisty博士（美国密歇根州立大学）, Sean Loyd博士（美国加州州立大学）, Malcolm Wallace博士（澳大利亚墨尔本大学）, Ashleigh Hood博士（澳大利亚墨尔本大学）, Kelsey Lamothe博士（澳大利亚墨尔本大学）, 程猛研究员、谷昊东博士生提供了样品和开展了野外工作。Simon Poulton教授（英国利兹大学）提供了分析帮助。Matt Dodd博士，李超教授和石炜博士撰写了稿件并得到了全体共同作者讨论和帮助。

（化石网）据成都理工大学：北京时间2023年5月31日，成都理工大学沉积地质研究院、沉积与生物地球化学国际研究中心李超教授研究团队在Nature发表文章“Uncovering the Ediacaran phosphorus cycle”（解密埃迪卡拉纪磷循环）。据悉，这是成都理工大学建校67年以来首篇作为第一完成单位在国际顶级期刊Nature上发表的论文，实现了历史突破。

该成果利用自研技术重建了地球地质历史关键期埃迪卡拉纪（又称“震旦纪”）古海洋生命营养元素磷含量波动，发现了早期缺氧海洋磷含量波动和海洋氧化程度之间具有不同于现代海洋的解耦关系，提出了外部因素是古海洋实现氧化的原始驱动力假说。

它揭示了早期海洋能够维持漫长缺氧状态的根本原因和早期海洋能够最终实现氧化的根本机制。生命与地球氧化的关系不言而喻，因此，它不仅极大深化了人类对于地球宜居性演化和复杂生命演化规律的理解，更是在回答“我从哪里来，将到哪里去”的人类终极问题。

我们生活的地球，距离形成之始已有约46亿年。在距今5.39亿年以前的前寒武纪，那时的海洋氧气含量极低，几乎没有多少复杂真核生命存在。

团队介绍，在那个遥远的年代，如果人顺着陆地下到洋面，很快就会遭遇没有氧气和大量诸如硫化氢这样的“死亡气体”。如果深入洋底，洋中脊正在源源不断地向外喷出巨量铁离子，总而言之，海洋整体处于缺氧分层的“死寂”状态，除了表层浅水区域外，整个海洋是真核生命的禁区，宛如“深渊”。

这是2010年李超教授发表在Science（《科学》）上的一篇论文，A Stratified Redox Model for the Ediacaran Ocean（《埃迪卡拉纪海洋氧化还原分层结构模型》）所揭示的古海洋的“样子”，被评审认为“阐明了新元古代海洋-大气化学演化与早期动物演化的关键连接”。“乘胜追击”，李超教授回国后组建团队，继续在这条路上“狂飙”。

众所周知的是，目前地球上，包括海洋生物在内，绝大部分复杂生物的生存都离不开氧气。此前科学家也提出，生物演化是从海洋到陆地，并反复论证寒武纪生物大爆发。

然而，前寒武纪海洋如此低氧，基本不具备生物生存的基本要素，那么，在距今6.35亿-5.39亿年之间埃迪卡拉纪，作为前寒武纪的最后一个阶段，海洋究竟发生了什么，到现在都维持了富氧状态？

研究的突破口从磷元素入手。

磷是生命的关键营养元素，而富氧状态是复杂海洋生态系统赖以存在的基础。现代海洋之所以能够处在一个相对稳定的氧化世界，原因就在于磷和氧气之间，存在一种耦合循环的负反馈机制。

简而言之就是海洋中氧气越多，生物可利用的溶解磷越少。与之对应，当海洋氧含量降低时，沉积物中的磷会被再活化而回到海洋中，从而增加海洋生产力和氧气产量（通过光合作用释放氧气），阻止海洋进一步缺氧。“这种循环平衡的模式，在很大程度上将现代海洋锁定在了一个相对稳定的氧化世界里，使地球上的复杂生命在地球上得以进化繁衍。”李超介绍。

既然富氧的现代海洋存在这种磷氧耦合循环机制，那么，以缺氧分层为主要特征的前寒武纪海洋，是否也存在这种机制呢？

这一问题困扰学术界多年，也正是李超团队想要探索的关键问题。而要弄清这个问题，就需要一种能够直接追踪古海洋中磷含量的定量指标，来观察古海洋中磷含量的时空波动，探寻这种波动与氧化程度是否相关。

为此，团队通过不断尝试，终于在2021年成功研发了能够直接追踪古海洋磷含量的碳酸盐结合态磷酸盐（Carbonate-Associated Phosphate，简称CAP）技术指标。

在具备技术支撑之后，还要选择研究目标。团队将目光投注到了一段特殊的地层单元，即埃迪卡拉纪Shuram Excursion（简称为SE）事件地层。

这段地层记录了地球历史上最强烈的一次碳酸盐碳同位素负偏移事件，被认为可能与全球海洋氧化性的显著增强有关，对于回答早期地球海洋磷氧循环相互关系这一重大科学问题，是绝佳的选择。

结果显示，在SE事件中，世界各地区样品的CAP数据呈现的“M”型演化趋势，与古海洋氧化程度的变化没有出现期望的现代海洋式的耦合关系。这些观察表明，在埃迪卡拉纪的古海洋中，磷含量的变化与海洋的氧化程度是解耦的。

排除掉海洋内部的原因，团队进一步推导出，SE时期古海洋的氧化是因为地质构造运动增强了大陆风化，让大量陆地风化起源的氧化剂、营养盐输入海洋引起的。日积月累，沧海桑田，量变终于引起质变，海洋逐渐氧化，动物也开始出现了。

那一刻，地球终于开始有了触发复杂生命崛起的条件，为了这一刻，它已经等了40亿年。

在这一篇Nature论文接受之前，李超和他的团队在过去的10多年里已经向这本顶刊投稿很多次了。“人生还是要搏一搏。”李超这样说。

在团队里，他负责盯准世界前沿科技问题，提出科学设想，带领年轻人们一起冲。

无法准确定量古海洋溶解磷含量曾一度让团队的研究陷入瓶颈。这是团队首当其冲必须解决的技术难题。

通过文献调研，他们了解到珊瑚能通过包裹磷酸氢根从而记录海水中磷酸根的变化，这给了他们灵感，“那古海洋在碳酸盐沉淀时是否也能记录海洋中磷酸根的变化呢？”

说干就干，李超教授团队开始在实验室进行大量的化学实验，在不同pH、温度条件下，他们合成碳酸盐，探究相关控制机制，发现不同含量的磷酸根海水溶液下合成的碳酸盐能真实记录溶液中磷酸根的变化，二者之间存在线性关系，这说明碳酸盐结合态磷酸盐（CAP）能够直接记录海洋中磷酸根的含量变化。

曙光初现。

CAP含量和海水溶液中磷酸根之间的线性关系受什么因素的影响？如何从更为复杂的地质样品中提取CAP？如何排除真实地质样品中可能出现的许多碎屑、沙子、黏土矿物等等对CAP的影响？如何评价漫长地质历史时期成岩作用的改造、各种地质作用对CAP指标造成的影响？……问题接踵而至。

李超团队在不断的实验、推翻、再实验、再推翻……的论证过程中，成功实现了CAP技术攻关。利用这个全球独一无二的技术，团队也终于成功解密了早期地球海洋磷循环演化。

他们郑重地第N次向Nature投稿，评审人的质疑马上如期而至。“研究的样品不具有完全代表性”“样品可能受到了成岩作用等带来的影响”“地层岩性变化也可能对结果构成影响“………

样品不具有完全代表性，那就重新寻找有代表性样品；成岩作用可能造成影响，那就无论强弱，都论证一遍；岩性变化产生潜在影响，那就寻找岩性相同的样品来论证……面对种种质疑，团队精益求精，力求完善，“用科学和事实服人”。

不懈的努力终于说服了评审人。在论文发表的评审意见里，评审人写到：“（作者经过增加新样品和新数据），文章有了很大的改变，但是研究结论没有变，而且（论证）使其变得更加可靠，因此，我不想再站在阻碍这篇论文发表的路上了。”

2004年，李超来到美国，其先后在美国加州理工学院和美国加州大学河滨分校留学深造。2011年，李超学成回到祖国。国外的经历，让他对国内相关问题面临技术“卡脖子”困境的局面有了更清晰的认识，更坚定了他带领团队突破项目难关的决心，“用别人的技术手段来解决自己的问题，始终属于一种跟跑的状态，没有领跑，这样是很被动的。”他说到。

创新精神和爱国情怀驱使着李超团队，他们渴望在科研的道路上通过不断的技术创新来驱动科学的创新和突破，从而从根本上实现我国在古海洋环境演化重建领域从跟跑并跑到领跑的转变。

下一步，李超教授团队将继续在古海洋环境演化领域开展关键卡脖子技术研发，通过技术创新实现国际科技前沿重大原始突破。

李超团队突破性成果的取得体现了我校去年开始倡导的开展“有组织的科研”科研新思路。

顺应时代和国家要求，成理科研瞄准国际科技前沿和国家重大需求，瞄准国家和学校都更需要的重大原始创新突破，攻克“卡脖子”问题的基础理论和关键技术，服务国家区域创新发展战略，提升行业产业发展核心竞争力，更有针对性和目的性地“瞄准射击”。这是在时代呼唤下，成理“不甘人后，敢为人先”的精神表达，也是成理“穷究于理、成就于工”校训的深刻体现。

1、埃迪卡拉纪：在中国又称为震旦纪，为地质年代名称，是前寒武纪向显生宙转折的最后一个纪，属于新元古代的晚期。时限是距今6.35亿年-5.39亿年。

2、Shuram Excursion事件：全球范围内在埃迪卡拉纪发生的一次地质历史时期最大的碳同位素（δ13Ccarb）负漂移事件。

该成果得到国家自然科学基金（41825019, 42130208, 41821001）、国家重点研发计划项目（2022YFF0800100）、中国博士后国际交流计划、中国博士后科学基金、“Forrest”研究基金、西澳大学地球科学系和NASA天体生物学研究所（合作协议NNA15BB03A）的资助。

李超教授（成都理工大学）领导了此项研究。李超教授和Matt Dodd博士（成都理工大学柔性引进客座教授，李超教授前博士后）设计了此项研究。Matt Dodd博士、张子虎博士（成都理工大学）、程猛研究员（成都理工大学）和谷昊东博士生（中国地质大学-武汉）开展了实验分析。石炜博士（成都理工大学）和Ben Mills副教授（英国利兹大学）开展了模型分析。李超教授、 Timothy Lyons教授（加州大学河滨分校）、Dalton Hardisty博士（美国密歇根州立大学东兰辛分校）、Sean Loyd博士（美国加州州立大学富尔顿分校）、Malcolm Wallace博士（澳大利亚墨尔本大学）、 Ashleigh Hood博士（澳大利亚墨尔本大学）、Kelsey Lamothe博士（澳大利亚墨尔本大学）、 程猛研究员和谷昊东博士生提供了样品和开展了野外工作。Simon Poulton教授（英国利兹大学）提供了分析帮助。Matt Dodd博士、李超教授和石炜博士撰写了稿件并得到了全体共同作者讨论和帮助。

论文信息：Matthew Dodd, Wei Shi (石炜), Chao Li (李超; 通讯作者), Zihu Zhang (张子虎), Meng Cheng (程猛), Haodong Gu (谷昊东), Dalton Hardisty, Sean Loyd, Malcolm Wallace, Ashleigh Hood, Kelsey Lamothe. Benjamin Mills, Simon Poulton, Timothy Lyons. (2023) Uncovering the Ediacaran phosphorus cycle. Nature. ISSN 0028-0836 (In Press).

DOI: s41586-023-06077-6

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06077-6

李超，男，教授，博士生导师，沉积地质研究院院长，沉积地球化学与生物地球化学国际研究中心主任。致力于海洋环境演化及其生命、矿产和能源效应研究（沉积地球化学、生物地球化学、地球生物学），主持科技部国家重大科学研究计划课题等国家级项目8项。在Science、Nature等国际重要学术期刊发表论文100余篇。