1月6日，中國地質大學（武漢）地質微生物與環境全國重點實驗室陳中強教授團隊聯合英國埃克塞特大學、南京大學團隊，在《自然·地學》發表研究成果。該研究通過前沿的數值模擬方法，首次系統揭示了約5.8億年前地球海洋氧化過程的非線性特征，指出全球海洋曾經歷劇烈而規律的周期性“氧化脈沖”。這一發現革新了人們對早期地球環境演變模式的理解。
元古宙末期。受訪者供圖
該研究的核心突破在于成功構建并應用了“自持振蕩”數值模型。團隊創新性地模擬了埃迪卡拉紀中期的“磷—氧—碳”生物地球化學循環，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。模型結果表明，當時的地球系統處于一種不穩定狀態，能夠在缺氧與富氧兩個穩態之間發生周期性振蕩，周期約為500萬年，且在約2000萬年內至少規律性地發生了三次。
研究將這一過程形象地比喻為“蹺蹺板”機制：在富氧階段，關鍵營養元素磷被鎖在海底沉積物中，抑制了后續的初級產氧生產；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氧激增準備了“燃料”，從而驅動系統進入下一個循環。這種由系統內部反饋驅動的“自持振蕩”，是首次通過數值模擬在該關鍵地質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、鈾等同位素數據，發現了清晰且同步的“碳降鈾升”信號模式。這一指標顯示了海洋生產力變化與氧化狀態的緊密耦合關系。
“數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，它預測并重現了這種周期性波動的內在邏輯。”李子珩博士強調，“模型結果與地質記錄的高度吻合，證實了‘氧氣脈沖’并非隨機事件，而是當時地球系統內在不穩定性的必然表現。”
該模擬研究首次為早期復雜生命的“爆發式”出現提供了動態環境背景框架。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，是地球系統自身的周期性振蕩，而非緩慢的線性增氧，為生命復雜化創造了關鍵的“機會窗口”。
“這項研究從根本上改變了我們的視角。”陳中強指出，“地球從長期缺氧向富氧狀態的過渡，并非平靜的‘漸變’，而是必然要經歷一個充滿劇烈波動的‘動蕩青春期’。數值模擬幫助我們捕捉到了這一系統轉換期的本質規律。”
此前，該團隊在《自然·通訊》上發布了自主研發的“自持振蕩”數值模型框架，本次研究成功將該模型應用于更古老的地質歷史事件解析，并取得了實證支持和延續性突破，展現了數值模擬在深時地球科學研究中的強大能力。
陳中強介紹，“自持振蕩”數值模型框架不僅僅是對特定地質事件的重建，更構建了一個理解復雜地球系統行為的通用框架，它能將復雜地球系統簡化為由關鍵物質循環構成的微分方程組，讓地球的動態行為對應方程解的穩定性特征；系統穩定性取決于內部結構，在外部驅動力作用下，穩定性變化意味著系統可能跨越關鍵臨界點，進而觸發周期性振蕩或狀態突變。這一視角不僅有助于解讀地球歷史中的重大轉變，也為認識當代地球系統演變提供重要啟示。
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