1月6日，中国地质大学（武汉）地质微生物与环境全国重点实验室陈中强教授团队，联合英国埃克塞特大学、南京大学团队，在《自然·地学》发表研究成果。该研究通过前沿的数值模拟方法，首次系统揭示了约5.8亿年前地球海洋氧化过程的非线性特征，指出全球海洋曾经历剧烈而规律的周期性“氧化脉冲”。
文章唯一通讯作者陈中强教授介绍，研究的核心突破在于成功构建并应用了“自持振荡”数值模型（图1）。团队创新性地模拟了埃迪卡拉纪中期的“磷—氧—碳”（P-O-C）生物地球化学循环，将5.79亿年前的“加斯基尔斯冰期”与其前后的全球性增氧事件直接动力学关联。模型结果表明，当时的地球系统处于一种不稳定状态，能够在缺氧与富氧两个稳态之间发生周期性振荡，周期约为500万年，且在约2000万年内至少规律性地发生了三次。
图1. 模型状态从稳定缺氧转变为极限循环波动，这一转变由逐步增加的总有机碳埋藏所驱动。
研究将这一过程形象地比喻为“跷跷板”机制：在富氧阶段，关键营养元素磷被锁在海底沉积物中，抑制了后续的初级产氧生产；氧气水平的下降又导致磷被重新释放回海水，为下一轮生物繁荣和产氧激增准备了“燃料”，从而驱动系统进入下一个循环。这种由系统内部反馈驱动的“自持振荡”，是首次通过数值模拟在该关键地质时期得到清晰揭示和验证。
研究的实证基础来自澳大利亚西北部“依甘组”的岩石记录（图2）。团队从这些岩层中提取了碳、铀等同位素数据，发现了清晰且同步的“碳降铀升”信号模式。这一指标显示了海洋生产力变化与氧化状态的紧密耦合关系。
图2. 埃迪卡拉纪中期碳—铀同位素的地层变化及同时期化石记录汇总。
“数值模拟的成功之处在于，它不仅能解释我们观测到的同位素信号，更重要的是，它预测并重现了这种周期性波动的内在逻辑。”文章第一作者、地质微生物与环境全国重点实验室李子珩博士说，“模型结果与地质记录的高度吻合，证实了‘氧气脉冲’并非随机事件，而是当时地球系统内在不稳定性的必然表现（图3）。”
图3. 地球系统碳－氧－磷－铀（C-O-P-U）耦合系统状态示意图。
该模拟研究首次为早期复杂生命的“爆发式”出现提供了动态环境背景框架。模型显示的三次氧气脉冲高峰期，在时间上与全球最早一批复杂多细胞生物群（如我国的“蓝田生物群”“瓮安生物群”等）的繁盛期高度吻合。（图4）。
图4.元古宙末期“雪球地球”事件后，海洋经历了周期性增氧。这驱动地球系统从以前稳定缺氧的状态，转变为富氧与缺氧交替的不稳定状态，并最终演进为宜居地球，为动物的诞生与演化奠定了基础。徐涵 绘
“这项研究从根本上改变了我们的视角。”陈中强说，“地球从长期缺氧向富氧状态的过渡，并非平静的‘渐变’，而是必然要经历一个充满剧烈波动的‘动荡青春期’。数值模拟帮助我们捕捉到了这一系统转换期的本质规律。这一视角不仅有助于解读地球历史中的重大转变，也为认识当代地球系统演变提供重要启示。”
（光明日报全媒体记者王建宏 张锐 通讯员孙彦钦）
（原载 光明日报客户端 2026年1月8日）
