1月6日，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)微生物與環(huán)境全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳中強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國(guó)�？巳卮髮W(xué)、南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)，在《自然·地學(xué)》發(fā)表研究成果。該研究通過(guò)前沿的數(shù)值模擬方法，首次系統(tǒng)揭示了約5.8億年前地球海洋氧化過(guò)程的非線性特征，指出全球海洋曾經(jīng)歷劇烈而規(guī)律的周期性“氧化脈沖”。這一發(fā)現(xiàn)革新了人們對(duì)早期地球環(huán)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(gòu)建并應(yīng)用了“自持振蕩”數(shù)值模型。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地模擬了埃迪卡拉紀(jì)中期的“磷—氧—碳”生物地球化學(xué)循環(huán)，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(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)。模型結(jié)果表明，當(dāng)時(shí)的地球系統(tǒng)處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，能夠在缺氧與富氧兩個(gè)穩(wěn)態(tài)之間發(fā)生周期性振蕩，周期約為500萬(wàn)年，且在約2000萬(wàn)年內(nèi)至少規(guī)律性地發(fā)生了三次。
研究將這一過(guò)程形象地比喻為“蹺蹺板”機(jī)制：在富氧階段，關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素磷被鎖在海底沉積物中，抑制了后續(xù)的初級(jí)產(chǎn)氧生產(chǎn)；氧氣水平的下降又導(dǎo)致磷被重新釋放回海水，為下一輪生物繁榮和產(chǎn)氧激增準(zhǔn)備了“燃料”，從而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。這種由系統(tǒng)內(nèi)部反饋驅(qū)動(dòng)的“自持振蕩”，是首次通過(guò)數(shù)值模擬在該關(guān)鍵地質(zhì)時(shí)期得到清晰揭示和驗(yàn)證。
研究的實(shí)證基礎(chǔ)來(lái)自澳大利亞西北部“依甘組”的巖石記錄。團(tuán)隊(duì)從這些巖層中提取了碳、鈾等同位素?cái)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了清晰且同步的“碳降鈾升”信號(hào)模式。這一指標(biāo)顯示了海洋生產(chǎn)力變化與氧化狀態(tài)的緊密耦合關(guān)系。
“數(shù)值模擬的成功之處在于，它不僅能解釋我們觀測(cè)到的同位素信號(hào)，更重要的是，它預(yù)測(cè)并重現(xiàn)了這種周期性波動(dòng)的內(nèi)在邏輯。”李子珩博士強(qiáng)調(diào)，“模型結(jié)果與地質(zhì)記錄的高度吻合，證實(shí)了‘氧氣脈沖’并非隨機(jī)事件，而是當(dāng)時(shí)地球系統(tǒng)內(nèi)在不穩(wěn)定性的必然表現(xiàn)。”
該模擬研究首次為早期復(fù)雜生命的“爆發(fā)式”出現(xiàn)提供了動(dòng)態(tài)環(huán)境背景框架。模型顯示的三次氧氣脈沖高峰期，在時(shí)間上與全球最早一批復(fù)雜多細(xì)胞生物群（如我國(guó)的“藍(lán)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(tǒng)自身的周期性振蕩，而非緩慢的線性增氧，為生命復(fù)雜化創(chuàng)造了關(guān)鍵的“機(jī)會(huì)窗口”。
“這項(xiàng)研究從根本上改變了我們的視角。”陳中強(qiáng)指出，“地球從長(zhǎng)期缺氧向富氧狀態(tài)的過(guò)渡，并非平靜的‘漸變’，而是必然要經(jīng)歷一個(gè)充滿劇烈波動(dòng)的‘動(dòng)蕩青春期’。數(shù)值模擬幫助我們捕捉到了這一系統(tǒng)轉(zhuǎn)換期的本質(zhì)規(guī)律。”
此前，該團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》上發(fā)布了自主研發(fā)的“自持振蕩”數(shù)值模型框架，本次研究成功將該模型應(yīng)用于更古老的地質(zhì)歷史事件解析，并取得了實(shí)證支持和延續(xù)性突破，展現(xiàn)了數(shù)值模擬在深時(shí)地球科學(xué)研究中的強(qiáng)大能力。
陳中強(qiáng)介紹，“自持振蕩”數(shù)值模型框架不僅僅是對(duì)特定地質(zhì)事件的重建，更構(gòu)建了一個(gè)理解復(fù)雜地球系統(tǒng)行為的通用框架，它能將復(fù)雜地球系統(tǒng)簡(jiǎn)化為由關(guān)鍵物質(zhì)循環(huán)構(gòu)成的微分方程組，讓地球的動(dòng)態(tài)行為對(duì)應(yīng)方程解的穩(wěn)定性特征；系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在外部驅(qū)動(dòng)力作用下，穩(wěn)定性變化意味著系統(tǒng)可能跨越關(guān)鍵臨界點(diǎn)，進(jìn)而觸發(fā)周期性振蕩或狀態(tài)突變。這一視角不僅有助于解讀地球歷史中的重大轉(zhuǎn)變，也為認(rèn)識(shí)當(dāng)代地球系統(tǒng)演變提供重要啟示。
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