南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院國(guó)際同位素效應(yīng)研究中心教授彭永波、鮑惠銘和曹曉斌與成都理工大學(xué)教授李超團(tuán)隊(duì)等，通過建立高分辨率硫酸鹽叁氧同位素?cái)?shù)據(jù)記錄，結(jié)合系統(tǒng)生物地球化學(xué)模型定量分析，揭示了地球大氣由無氧向富氧轉(zhuǎn)變的階段性演化歷史和控制機(jī)制，為理解地球生命起源與演化和地球宜居性的形成與演化提供了關(guān)鍵的地球化學(xué)示蹤指標(biāo)和重要的理論基礎(chǔ)。日前，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》。
地球作為太陽系中目前已知唯一擁有生命的天體，其宜居性的形成與演化是地球系統(tǒng)科學(xué)研究的核心議題。地球大氣氧含量從無到有，并達(dá)到目前的富氧狀態(tài)的演變是驅(qū)動(dòng)生命起源演化、改善行星宜居性的關(guān)鍵過程，所以深入探究地質(zhì)歷史時(shí)期大氣氧含量的變化和控制機(jī)制對(duì)于理解宜居地球的形成具有重要意義。問題在于，目前缺乏有效的示蹤技術(shù)指標(biāo)和數(shù)據(jù)來綜合定量研究地球表層氧儲(chǔ)庫以及其源與匯的變化和關(guān)鍵控制因子。沉積碳酸鹽巖中微量硫酸根中的叁氧同位素（Δ17O）指標(biāo)可以連續(xù)記錄大氣氧獨(dú)有的非質(zhì)量依賴的氧同位素負(fù)異常信號(hào)，進(jìn)而能直接地追蹤古大氣氧含量的變化。
本研究通過系統(tǒng)采樣分析與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)整合，建立了過去近30億年的硫酸根Δ17O演化記錄。該記錄顯示，大氣氧含量經(jīng)歷了三次顯著躍遷，分別發(fā)生于古元古代（24–21億年前）、新元古代（約10億年前）和古生代（約4.4億年前），表明地球氧氣從無到有，并呈階段性上升，于約4.1億年前趨近現(xiàn)代穩(wěn)定的富氧狀態(tài)。與此同時(shí)，新元古代高分辨率C–S–O同位素協(xié)同波動(dòng)特征表明，大氣氧含量上升后，開始周期性氧化以缺氧為主的海洋，具體表現(xiàn)為碳酸鹽碳同位素δ13C與硫酸鹽叁氧同位素Δ17O和硫同位素δ34S的同步負(fù)偏。
課題組通過結(jié)合系統(tǒng)地球化學(xué)模型NEOCARBSULF與O2–CO2箱式模型分析，發(fā)現(xiàn)大氣氧驅(qū)動(dòng)的這些海洋脈沖式氧化事件，促進(jìn)了缺氧水體中有機(jī)碳與還原性硫的氧化，生成大量虧損34S/17O/13C的硫酸鹽與無機(jī)碳，從而引發(fā)C–S–O同位素的協(xié)同擾動(dòng)；同時(shí)，該過程在短期內(nèi)通過負(fù)反饋機(jī)制迅速消耗大量氧氣，抑制甚至逆轉(zhuǎn)了大氣氧的進(jìn)一步上升。因此，本研究定量重建了地球大氣氧氣含量的演化歷史，揭示了大氣與海洋氧化狀態(tài)的動(dòng)態(tài)耦合的協(xié)同演化機(jī)制。（來源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 溫才妃）
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09471-4