Nat. Geosci.：远古海洋两次氧化事件揭秘生命演化关键

然而，近年来，越来越多的地球化学和古生物学证据对这一传统观点提出了挑战：一些研究发现，新元古代的海洋中仍然存在着大面积的缺氧水域，这与NOE导致海洋全面氧化的观点相矛盾。另一些研究则发现，新元古代的氧气含量存在着剧烈波动，而非单一方向的持续上升。

图1|采样页岩的关键地球化学指标

为了解开这一谜团，科学家们对新元古代和古生代时期（距今约10亿年到3亿年）的沉积岩样本进行了大规模分析。他们利用先进的统计学习方法和地球系统模型，对沉积岩中钼、铀、铁形态和总有机碳等地球化学指标进行了深入研究，以重建远古海洋的氧含量和生产力变化。

图2|采样页岩中关键地球化学指标的去卷积海洋生物地球化学信号的统计重建

新元古代晚期的确存在海洋氧含量和生产力的上升趋势，但并非像传统观点认为的那样剧烈和彻底。深海环境并没有在新元古代晚期完全氧化，而是在相当长的一段时间内仍然保持着缺氧状态。

第一次发生在新元古代晚期，主要影响了浅海环境，为早期动物的出现和多样化创造了条件。这一时期大气和海洋中的氧气含量确实有所上升，但远未达到接近现代的水平。虽然这一时期浅海环境中的氧气和营养物质含量有所增加，但深海仍然普遍处于缺氧状态。

第二次发生在古生代中期,大约距今4亿年前。这一时期，大气和海洋中的氧气含量再次大幅度攀升，最终使深海也获得了充足的氧气，并为海洋生物的进一步演化和辐射创造了条件，推动了海洋生态系统的进一步复杂化，并为鱼类等更大型、更活跃的动物的演化和辐射奠定了基础。

图3|每个对数比例的大气pO2和海洋PO4情景的组合建模方法的关键生物地球化学变量的热图。

这两次氧含量攀升事件对早期动物的演化和繁荣具有重要意义。新元古代晚期的浅海氧含量上升可能促进了埃迪卡拉生物群等早期动物的出现和多样化。古生代中期的深海氧含量上升可能推动了寒武纪生命大爆发后海洋生态系统的持续发展，以及鱼类等新兴动物类群的演化和辐射。

研究强调了不同地球化学指标对海洋氧化历史的不同解读方式，例如，钼和铀等微量元素的富集程度主要反映了深海氧含量变化，而总有机碳含量则与海洋整体生产力水平更为相关。通过结合多种地球化学指标，可以更全面地重建地球历史时期海洋氧含量和生产力的变化过程。

图4 |随着大气氧合的增加，表层和深水海洋氧合之间的解耦，对动物生理学和微量金属氧化还原指标有影响

这项研究成果为我们理解地球早期生命演化提供了重要的新线索。未来可利用更精细的地球化学指标和地球系统模型，对这两次氧含量攀升事件的驱动机制进行深入研究，以期更精确地重建地球生命演化历史。

图5|重建的新元古代-古生代地球系统演化

论文信息：Stockey, R.G., Cole, D.B., Farrell, U.C. et al. Sustained increases in atmospheric oxygen and marine productivity in the Neoproterozoic and Palaeozoic eras. Nat. Geosci. (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01479-1

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