近日，成都理工大學(xué)教授李超團隊關(guān)于地球大氣氧含量演化的研究成果發(fā)布于《自然》。文章從投稿到被接收，僅用了半年時間。審稿人評價該研究“提供了迄今為止關(guān)于大氣氧含量演化的最佳指標(biāo)記錄。”“為當(dāng)前大氣氧化歷史的認識樹立了‘新標(biāo)桿’。”
研究首次以直接、連續(xù)的地質(zhì)證據(jù)，揭示地球從無氧環(huán)境演進為如今富氧狀態(tài)歷時20億年，且關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點發(fā)生在4.1億年前，并創(chuàng)新性地提出：在短時間尺度上，大氣與海洋的氧含量存在“此消彼長”的競爭關(guān)系。
歲月失語，惟石能言。團隊搜羅了上千塊跨越數(shù)億年歷史的古老巖石，從中“抽絲剝繭”，追蹤到有效線索，從而推出演化過程。
樹立“新標(biāo)桿”的過程并非坦途，起初顛覆性的設(shè)想還曾飽受爭議。李超感慨，成果的取得源于厚積薄發(fā)，依賴審慎的求證，以及求真的敏銳與挑戰(zhàn)的勇氣。
李超教授。受訪者供圖
直面挑戰(zhàn)
旁人或許只關(guān)注研究迅速登上頂刊的光環(huán)，但只有當(dāng)事人清楚，其背后是整整七年的堅持和求索。
采訪中，團隊成員、成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院研究員王海洋談到了2018年的那個秋天。
當(dāng)時，他正準備赴美國路易斯安那州立大學(xué)進行為期一年的博士聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)習(xí)。李超鼓勵他借這次出國的機會“跳出舒適圈”，找到一個更具突破性的研究方向，做一些“能有真正價值的工作”。
他們的討論最終落在了地球科學(xué)中一個懸而未決的難題上：地球大氣氧含量的升起與演化。人類賴以生存的氧氣，究竟是如何從無到有，并逐漸達到現(xiàn)今占大氣21%的水平？這一重大轉(zhuǎn)變發(fā)生在什么時候？又經(jīng)歷了怎樣的歷程？
李超認為，破解這道難題，不僅關(guān)乎對過去的認知，更直接影響人類對當(dāng)前地球環(huán)境變化的理解。
以往對此的研究方法大多依賴于間接指標(biāo)。科學(xué)家通過分析海洋沉積巖來反推地質(zhì)歷史時期海洋的氧化狀態(tài)，進而間接推測大氣氧水平。但這類記錄經(jīng)歷了漫長且復(fù)雜的地球化學(xué)改造，像一部被反復(fù)謄抄的古籍，難免丟失了很多原始信息，難以追溯。
李超不禁思考，有沒有可能找到一種更直接、更定量的方法，重建遠古時期的大氣氧含量？是否可以捕捉到來自大氣本身、且被地質(zhì)載體直接記錄下來的信號？
一項由路易斯安那州立大學(xué)教授鮑惠銘（現(xiàn)任職于南京大學(xué)）團隊開展的研究，為追溯遠古大氣“配方”帶來啟示。
氧原子有氧-16、氧-17和氧-18三種同位素。在陽光的照射下，大氣中的氧氣、臭氧和二氧化碳會發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，并在這些物質(zhì)間產(chǎn)生氧同位素比例的變化。
這一光化學(xué)反應(yīng)會特征地導(dǎo)致臭氧和二氧化碳具有氧-17“正異常”，而大氣中剩余的氧氣則會相應(yīng)表現(xiàn)出氧-17“負異常”。這一獨特信號就像一枚化學(xué)印章，被“蓋”在大氣中氧氣分子上。
隨后，攜帶特殊“標(biāo)簽”的氧氣分子，與陸地上或者水中的硫化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將這“標(biāo)簽”又貼給了它們的產(chǎn)物硫酸鹽，這些硫酸鹽結(jié)晶沉淀形成石膏、重晶石等礦物后，如“時間膠囊”，將遠古大氣的氧-17異常完整封存至今。
鮑慧銘團隊則通過提取、測量并計算石膏、重晶石等礦物中硫酸鹽的氧-17負異常強度，來反演地質(zhì)歷史時期大氣二氧化碳濃度。
“該方法是否也可以來反演古大氣氧含量？”李超提出了這個設(shè)想。他意識到，這種信號有望成為揭示古大氣氧含量的直接指標(biāo)。
李超當(dāng)即決定，與在路易斯安那州立大學(xué)任職的彭永波博士聯(lián)系，看可否讓王海洋到鮑惠銘的實驗室，系統(tǒng)學(xué)習(xí)并進行硫酸鹽氧-17同位素的分析。
李超（右）正在指導(dǎo)王海洋（左）。受訪者供圖
不被看好的研究
前人認為，大氣氧分子中獨特的氧-17負異常信號，能夠通過氧化陸地上的黃鐵礦，轉(zhuǎn)化為如白霜般的硫酸鹽，并隨河流進入海洋。然而，這些硫酸鹽匯入浩瀚大海，在與海水中的氧原子發(fā)生交換時，其攜帶的氧-17負異常信號很快就會被徹底“抹掉”。
“但是遠古海洋的水體多為‘分層停滯’，洋流活動遠不如現(xiàn)今活躍。”李超假設(shè)，倘若恰逢大規(guī)模陸地風(fēng)化，巨量攜帶“指紋”的硫酸鹽在短時間內(nèi)洶涌入海，在還來不及與周圍海水交換、混合、被“抹掉”時，或許就被淺海區(qū)廣泛且正快速沉淀的碳酸鹽礦物“捕獲”。
即經(jīng)“類質(zhì)同象替代”這一化學(xué)過程，帶有氧-17負異常信號的硫酸根離子瞬間卷入正結(jié)晶的碳酸鹽晶格中“鎖死”，最終固結(jié)成巖并被保存下來。
“這是一個大概率事件。”李超堅信，在漫長的地質(zhì)時間尺度上，廣闊的古海洋范圍內(nèi)，總會有一些地點在持續(xù)地、有效地“錄制”著當(dāng)時的大氣信息。
僅有大膽假設(shè)還不夠。在路易斯安那州立大學(xué)的實驗室里，王海洋開啟了“小心求證”之路。
由于新元古代晚期（約5-6億年前）是地質(zhì)歷史上公認的海洋氧化事件發(fā)生階段，因此研究選擇該時期的巖石“開刀”。
王海洋先從巖石中彌散狀重晶石入手。重晶石是硫酸根離子構(gòu)成的礦物，前人利用它已在研究古代硫循環(huán)和海洋化學(xué)方面取得成果，摸索出了成熟、可靠的實驗方法。
實驗結(jié)果并不如意。王海洋和李超意識到，彌散狀重晶石的成因環(huán)境復(fù)雜，未必能夠記錄到大氣氧的這些特殊信號。
于是，王海洋的研究對象轉(zhuǎn)向了李超提出的沉積碳酸鹽晶格“捕獲”的硫酸鹽，即“碳酸鹽結(jié)合態(tài)硫酸鹽”。
實驗進行時，恰好碰上新冠疫情爆發(fā)，導(dǎo)致王海洋所在大學(xué)實驗室被管控。
后來，實驗室有限度進行開放，單一密閉空間最多允許1至2人戴口罩活動。王海洋硬著頭皮打申請，爭取到了每天進入實驗室的機會。
但對重晶石測試已耗費了他半年的時間，結(jié)束訪問學(xué)習(xí)的日子眼看進入了倒計時。雪上加霜的是，關(guān)鍵碳酸鹽礦物樣品短缺。
好在王海洋得到了國內(nèi)同門的大力幫助。一批采集自華南地區(qū)，可滿足實驗需求的巖石樣本從武漢寄出。在全球物流幾近停擺的情況下，一個方便面箱大小、裝滿石頭的包裹開始漂洋過海。
“其實我有點不抱希望，但當(dāng)真的收到那個箱子時，感到了被眷顧的幸運。”王海洋回憶。
盡管初期測試屢屢受挫，但懷著“至少做完所有的樣品”的念頭，王海洋堅持了下來。數(shù)月后，當(dāng)關(guān)鍵樣品的氧-17同位素數(shù)據(jù)陸續(xù)展示出清晰的氧-17負異常信號，并呈現(xiàn)于電腦屏幕上時，王海洋心中百感交集。
億年前的氧分子終于“開口說話”，猜想得以被證實。
歲月失語 惟石能言
但這只是一個開端，研究團隊需進一步證明這一發(fā)現(xiàn)的普遍性。
“大氣具有全球性。”李超解釋，土壤與地貌會因地域不同而呈現(xiàn)巨大差異，但大氣成分在全球范圍內(nèi)卻是基本一致。“既然六億年前華南的巖石能捕捉到這一氧氣信號，那么在同期或不同期，地質(zhì)背景相似的其他地區(qū)的巖石中，理應(yīng)也能找到類似的記錄。”
于是，他們陸續(xù)數(shù)年里收集了千余份樣品。其中，有的來自中國東南西北各地，有的則借由國際合作，取自澳大利亞、美國與英國同行的儲備庫。
部分國內(nèi)樣品是團隊成員野外采集的成果。每年六到八月，正值酷暑之時，他們都會深入山區(qū)或無人區(qū)考察采樣，從破曉直至暮色，往往一待就是一天。
在廣袤大地上，如何精準定位研究所需的，形成于數(shù)億年前的巖石？
王海洋介紹，全國地質(zhì)大調(diào)查已系統(tǒng)厘清了中國各地區(qū)沉積巖的年齡與分布，建立起翔實的數(shù)據(jù)庫，研究人員可直接按目標(biāo)年代查詢定位。
“全球地質(zhì)學(xué)家發(fā)表的文獻中，常會詳細描述特定區(qū)域的地質(zhì)剖面并附上精確的GPS點位。”李超團隊可“按圖索驥”，高效找出封存古老信息的“時間膠囊”。
對全球多地跨時代樣品的分析，為研究提供了更為可信的數(shù)據(jù)支撐。與多硫同位素等指標(biāo)進行融合分析后，團隊解讀了巖石中所記錄的直接的大氣氧信號，從而首次構(gòu)建出一個覆蓋40億年的地球氧化史完整框架。
李超打了一個生動的比方：過去，研究者依賴稀有的蒸發(fā)巖，只能得到歷史上地球大氣“配方”幾張零星的“快照”，雖然清晰，卻無法連貫。
而現(xiàn)在，利用廣泛分布的碳酸鹽巖，研究者首次獲得了一套連續(xù)、高精度的“地質(zhì)膠片”，從而有能力繪制出地球氧含量演化的連續(xù)“電影”。
在這部“電影”中，團隊精準揭示出從24億年至4.1億年前，地球表層長達20億年的過渡性氧化歷程。一個重要發(fā)現(xiàn)是，在百萬年時間尺度上，大氣和海洋的氧含量存在著“此消彼長”的競爭關(guān)系。
這一結(jié)論的得出，得益于團隊從碳酸鹽巖中找到的三位“證人”：氧-17異常、硫同位素和碳同位素。研究者將同一巖石中的這三個指標(biāo)構(gòu)成了一個“三元一次方程組”，通過建立定量模型進行“聯(lián)立求解”，反推出了規(guī)律。
“就像在糧食有限時，家里老大吃飽，老二就要挨餓。”李超說道，當(dāng)?shù)厍蛞驑?gòu)造運動導(dǎo)致大量新巖石暴露時，強烈的風(fēng)化作用會急劇消耗大氣中的氧氣，并將這些氧匯入大海。所以海洋變得氧化了，但大氣中的氧氣含量卻下降了。
但從數(shù)億年時間尺度上看，老大老二的“生活水平”都是在共同提升。那地球是何時成功“脫貧”，步入氧氣“小康”社會，讓老大老二都“吃飽”的呢？
依據(jù)碳酸鹽結(jié)合態(tài)硫酸鹽氧-17異常記錄，團隊首次明確，地球大氣氧含量在4.1億年前持久性地達到現(xiàn)代水平，即攀升至接近21%。
富氧的環(huán)境的形成，也促進了地球復(fù)雜生命的繁育。
做有挑戰(zhàn)的科學(xué)
在破解“大氣與海洋氧氣此消彼長”這一謎題的過程中，李超團隊意外發(fā)現(xiàn)，早期地球的海洋中可能存在著一個巨量的溶解有機碳庫。這一偶然的發(fā)現(xiàn)，或許能為今天在深層、超深層地層中尋找油氣資源，提供全新的思路。
“我們也希望借此實現(xiàn)深層油氣資源勘查領(lǐng)域從‘0’到‘1’的突破，”李超說，在原始創(chuàng)新上做出突破，將基礎(chǔ)研究與國家在能源領(lǐng)域的重大需求真正結(jié)合起來，是他一直想走通的路。
1996年，李超踏入了沉積地球化學(xué)研究領(lǐng)域。2004年，他赴美從事博士后研究，切身感受過當(dāng)時國內(nèi)外在科研條件、整體實力方面的差距。
那一階段，中國學(xué)者在國際合作中往往處于被動。“我們總是扮演著提供樣品的角色。”李超回憶，合作過程中，中方團隊大多停留在參與層面，很難掌握知識產(chǎn)權(quán)和絕對的話語權(quán)。
2011年，李超作為首批國家海外高層次青年人才回國發(fā)展，也經(jīng)歷了一段“水土不服”的適應(yīng)期。“就像一棵樹苗，得先把根扎穩(wěn)，才能長葉、開花、結(jié)果。”他這樣形容那段埋頭扎根的歲月。
真正的轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在2018年前后。隨著“國家杰出青年科學(xué)基金”的獲批，他不僅獲得了經(jīng)費支持，更獲得了更多的自由度：可以更加心無旁騖地挑戰(zhàn)那些不確定性極強卻意義深遠的科學(xué)問題。
與此同時，他的團隊也逐步步入良性循環(huán)。扎實的成果帶來新的項目，持續(xù)的研究催生新的發(fā)現(xiàn)，不斷拓展的科學(xué)邊界又吸引了更多國際合作。
李超感受到，在自己研究領(lǐng)域，中國團隊的科研角色，悄然完成了從“跟跑”到“并跑”，再到部分領(lǐng)域“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變。
“和二十年前相比，情況倒了個轉(zhuǎn)，”李超感慨道，“就像這次研究，是國際同行把樣品送給我們，由我們來主導(dǎo)完成。”
如今，已成為導(dǎo)師的他，格外重視為年輕人“撐一把傘”。他鼓勵學(xué)生尋找到自己特色的研究方向，成長為各自領(lǐng)域的“參天大樹”，而非擠在單一賽道中“內(nèi)卷”。所以他也盡力支持學(xué)生前往世界頂尖實驗室交流學(xué)習(xí)。
李超團隊。受訪者供圖
當(dāng)被問及科研突破的實現(xiàn)究竟源于何處，李超的答案始終明確：一靠深厚的科學(xué)積累，二靠純粹的科學(xué)熱愛。
“科學(xué)的敏銳，既來自你對一個領(lǐng)域深刻的理解，也來自你內(nèi)心深處那份熱愛，”他說道，“只有兩者結(jié)合，你才能精準找到那個‘卡脖子’的問題，并擁有一定要解決它的動力。”
李超團隊。受訪者供圖
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09471-4
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