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來源｜成都理工大學

北京時間2023年5月31日，成都理工大學沉積地質研究院、沉積與生物地球化學國際研究中心李超教授研究團隊在Nature發表文章“Uncovering the Ediacaran phosphorus cycle”（解密埃迪卡拉紀磷循環）。據悉，這是成都理工大學建校67年以來首篇作為第一完成單位在國際頂級期刊Nature上發表的論文，實現了歷史突破。

▲論文內頁

▲李超（前排中間）團隊

該成果利用自研技術重建了地球地質歷史關鍵期埃迪卡拉紀（又稱“震旦紀”）古海洋生命營養元素磷含量波動，發現了早期缺氧海洋磷含量波動和海洋氧化程度之間具有不同于現代海洋的解耦關系，提出了外部因素是古海洋實現氧化的原始驅動力假說。

它揭示了早期海洋能夠維持漫長缺氧狀態的根本原因和早期海洋能夠最終實現氧化的根本機制。生命與地球氧化的關系不言而喻，因此，它不僅極大深化了人類對于地球宜居性演化和復雜生命演化規律的理解，更是在回答“我從哪里來，將到哪里去”的人類終極問題。

從磷入手解答滄海一瞬

我們生活的地球，距離形成之始已有約46億年。在距今5.39億年以前的前寒武紀，那時的海洋氧氣含量極低，幾乎沒有多少復雜真核生命存在。

團隊介紹，在那個遙遠的年代，如果人順著陸地下到洋面，很快就會遭遇沒有氧氣和大量諸如硫化氫這樣的“死亡氣體”。如果深入洋底，洋中脊正在源源不斷地向外噴出巨量鐵離子，總而言之，海洋整體處于缺氧分層的“死寂”狀態，除了表層淺水區域外，整個海洋是真核生命的禁區，宛如“深淵”。

這是2010年李超教授發表在Science（《科學》）上的一篇論文，A Stratified Redox Model for the Ediacaran Ocean（《埃迪卡拉紀海洋氧化還原分層結構模型》）所揭示的古海洋的“樣子”，被評審認為“闡明了新元古代海洋-大氣化學演化與早期動物演化的關鍵連接”。“乘勝追擊”，李超教授回國后組建團隊，繼續在這條路上“狂飆”。

眾所周知的是，目前地球上，包括海洋生物在內，絕大部分復雜生物的生存都離不開氧氣。此前科學家也提出，生物演化是從海洋到陸地，并反復論證寒武紀生物大爆發。

然而，前寒武紀海洋如此低氧，基本不具備生物生存的基本要素，那么，在距今6.35億-5.39億年之間埃迪卡拉紀，作為前寒武紀的最后一個階段，海洋究竟發生了什么，到現在都維持了富氧狀態？

研究的突破口從磷元素入手。

磷是生命的關鍵營養元素，而富氧狀態是復雜海洋生態系統賴以存在的基礎。現代海洋之所以能夠處在一個相對穩定的氧化世界，原因就在于磷和氧氣之間，存在一種耦合循環的負反饋機制。

簡而言之就是海洋中氧氣越多，生物可利用的溶解磷越少。與之對應，當海洋氧含量降低時，沉積物中的磷會被再活化而回到海洋中，從而增加海洋生產力和氧氣產量（通過光合作用釋放氧氣），阻止海洋進一步缺氧。“這種循環平衡的模式，在很大程度上將現代海洋鎖定在了一個相對穩定的氧化世界里，使地球上的復雜生命在地球上得以進化繁衍。”李超介紹。

▲現代海洋磷氧耦合循環機制

既然富氧的現代海洋存在這種磷氧耦合循環機制，那么，以缺氧分層為主要特征的前寒武紀海洋，是否也存在這種機制呢？

這一問題困擾學術界多年，也正是李超團隊想要探索的關鍵問題。而要弄清這個問題，就需要一種能夠直接追蹤古海洋中磷含量的定量指標，來觀察古海洋中磷含量的時空波動，探尋這種波動與氧化程度是否相關。

為此，團隊通過不斷嘗試，終于在2021年成功研發了能夠直接追蹤古海洋磷含量的碳酸鹽結合態磷酸鹽（Carbonate-Associated Phosphate，簡稱CAP）技術指標。

在具備技術支撐之后，還要選擇研究目標。團隊將目光投注到了一段特殊的地層單元，即埃迪卡拉紀Shuram Excursion（簡稱為SE）事件地層。

這段地層記錄了地球歷史上最強烈的一次碳酸鹽碳同位素負偏移事件，被認為可能與全球海洋氧化性的顯著增強有關，對于回答早期地球海洋磷氧循環相互關系這一重大科學問題，是絕佳的選擇。

結果顯示，在SE事件中，世界各地區樣品的CAP數據呈現的“M”型演化趨勢，與古海洋氧化程度的變化沒有出現期望的現代海洋式的耦合關系。這些觀察表明，在埃迪卡拉紀的古海洋中，磷含量的變化與海洋的氧化程度是解耦的。

▲古海洋的磷氧解耦合漫畫圖解

排除掉海洋內部的原因，團隊進一步推導出，SE時期古海洋的氧化是因為地質構造運動增強了大陸風化，讓大量陸地風化起源的氧化劑、營養鹽輸入海洋引起的。日積月累，滄海桑田，量變終于引起質變，海洋逐漸氧化，動物也開始出現了。

那一刻，地球終于開始有了觸發復雜生命崛起的條件，為了這一刻，它已經等了40億年。

說服世界用中國技術解決國際難題

在這一篇Nature論文接受之前，李超和他的團隊在過去的10多年里已經向這本頂刊投稿很多次了。“人生還是要搏一搏。”李超這樣說。

在團隊里，他負責盯準世界前沿科技問題，提出科學設想，帶領年輕人們一起沖。

無法準確定量古海洋溶解磷含量曾一度讓團隊的研究陷入瓶頸。這是團隊首當其沖必須解決的技術難題。

通過文獻調研，他們了解到珊瑚能通過包裹磷酸氫根從而記錄海水中磷酸根的變化，這給了他們靈感，“那古海洋在碳酸鹽沉淀時是否也能記錄海洋中磷酸根的變化呢？”?

說干就干，李超教授團隊開始在實驗室進行大量的化學實驗，在不同pH、溫度條件下，他們合成碳酸鹽，探究相關控制機制，發現不同含量的磷酸根海水溶液下合成的碳酸鹽能真實記錄溶液中磷酸根的變化，二者之間存在線性關系，這說明碳酸鹽結合態磷酸鹽（CAP）能夠直接記錄海洋中磷酸根的含量變化。

曙光初現。

CAP含量和海水溶液中磷酸根之間的線性關系受什么因素的影響？如何從更為復雜的地質樣品中提取CAP？如何排除真實地質樣品中可能出現的許多碎屑、沙子、黏土礦物等等對CAP的影響？如何評價漫長地質歷史時期成巖作用的改造、各種地質作用對CAP指標造成的影響？……問題接踵而至。

李超團隊在不斷的實驗、推翻、再實驗、再推翻……的論證過程中，成功實現了CAP技術攻關。利用這個全球獨一無二的技術，團隊也終于成功解密了早期地球海洋磷循環演化。

他們鄭重地第N次向Nature投稿，評審人的質疑馬上如期而至。“研究的樣品不具有完全代表性”“樣品可能受到了成巖作用等帶來的影響”“地層巖性變化也可能對結果構成影響”……

樣品不具有完全代表性，那就重新尋找有代表性樣品；成巖作用可能造成影響，那就無論強弱，都論證一遍；巖性變化產生潛在影響，那就尋找巖性相同的樣品來論證……面對種種質疑，團隊精益求精，力求完善，“用科學和事實服人”。

不懈的努力終于說服了評審人。在論文發表的評審意見里，評審人寫到：“（作者經過增加新樣品和新數據），文章有了很大的改變，但是研究結論沒有變，而且（論證）使其變得更加可靠，因此，我不想再站在阻礙這篇論文發表的路上了。”

創新無盡還在路上

2004年，李超來到美國，其先后在美國加州理工學院和美國加州大學河濱分校留學深造。2011年，李超學成回到祖國。國外的經歷，讓他對國內相關問題面臨技術“卡脖子”困境的局面有了更清晰的認識，更堅定了他帶領團隊突破項目難關的決心，“用別人的技術手段來解決自己的問題，始終屬于一種跟跑的狀態，沒有領跑，這樣是很被動的。”他說到。

創新精神和愛國情懷驅使著李超團隊，他們渴望在科研的道路上通過不斷的技術創新來驅動科學的創新和突破，從而從根本上實現我國在古海洋環境演化重建領域從跟跑并跑到領跑的轉變。

下一步，李超教授團隊將繼續在古海洋環境演化領域開展關鍵卡脖子技術研發，通過技術創新實現國際科技前沿重大原始突破。

李超團隊突破性成果的取得體現了我校去年開始倡導的開展“有組織的科研”科研新思路。

順應時代和國家要求，成理科研瞄準國際科技前沿和國家重大需求，瞄準國家和學校都更需要的重大原始創新突破，攻克“卡脖子”問題的基礎理論和關鍵技術，服務國家區域創新發展戰略，提升行業產業發展核心競爭力，更有針對性和目的性地“瞄準射擊”。這是在時代呼喚下，成理“不甘人后、敢為人先”的精神表達，也是成理“窮究于理、成就于工”校訓的深刻體現。

■ 名詞解釋：

埃迪卡拉紀：在中國又稱為震旦紀，為地質年代名稱，是前寒武紀向顯生宙轉折的最后一個紀，屬于新元古代的晚期。時限是距今6.35億年-5.39億年。

Shuram Excursion事件：全球范圍內在埃迪卡拉紀發生的一次地質歷史時期最大的碳同位素（δ¹³C_carb）負漂移事件。

該成果得到國家自然科學基金（41825019, 42130208, 41821001）、國家重點研發計劃項目（2022YFF0800100）、中國博士后國際交流計劃、中國博士后科學基金、“Forrest”研究基金、西澳大學地球科學系和NASA天體生物學研究所（合作協議NNA15BB03A）的資助。

作者貢獻：李超教授（成都理工大學）領導了此項研究。李超教授和Matt Dodd博士（成都理工大學柔性引進客座教授，李超教授前博士后）設計了此項研究。Matt Dodd博士、張子虎博士（成都理工大學）、程猛研究員（成都理工大學）和谷昊東博士生（中國地質大學-武漢）開展了實驗分析。石煒博士（成都理工大學）和Ben Mills副教授（英國利茲大學）開展了模型分析。李超教授、 Timothy Lyons教授（加州大學河濱分校）、Dalton Hardisty博士（美國密歇根州立大學東蘭辛分校）、Sean Loyd博士（美國加州州立大學富爾頓分校）、Malcolm Wallace博士（澳大利亞墨爾本大學）、 Ashleigh Hood博士（澳大利亞墨爾本大學）、Kelsey Lamothe博士（澳大利亞墨爾本大學）、程猛研究員和谷昊東博士生提供了樣品和開展了野外工作。Simon Poulton教授（英國利茲大學）提供了分析幫助。Matt Dodd博士、李超教授和石煒博士撰寫了稿件并得到了全體共同作者討論和幫助。

論文信息：Matthew Dodd, Wei Shi (石煒), Chao Li (李超; 通訊作者), Zihu Zhang (張子虎), Meng Cheng (程猛), Haodong Gu (谷昊東), Dalton Hardisty, Sean Loyd, Malcolm Wallace, Ashleigh Hood, Kelsey Lamothe. Benjamin Mills, Simon Poulton, Timothy Lyons. (2023) Uncovering the Ediacaran phosphorus cycle. Nature. ISSN 0028-0836 (In Press).

DOI: s41586-023-06077-6

論文鏈接:?https://www.nature.com/articles/s41586-023-06077-6

人物名片

李超，男，教授，博士生導師，沉積地質研究院院長，沉積地球化學與生物地球化學國際研究中心主任。

致力于海洋環境演化及其生命、礦產和能源效應研究（沉積地球化學、生物地球化學、地球生物學），主持科技部國家重大科學研究計劃課題等國家級項目8項。在Science、Nature等國際重要學術期刊發表論文100余篇。

▼向下滑動查看曾承擔過的科研項目

1.國家重點研發計劃項目課題“新元古代大氧化事件和極端氣候事件的時空演變精細過程和機制”

2. 國家自然科學基金委員會重點基金項目“埃迪卡拉紀海洋磷循環轉變的過程、機制及其地球生物學效應研究”

3. 國家XX計劃科技創新領軍人才項目

4. 國家自然科學基金委員會杰出青年基金項目“地球生物學”

5. 國家自然科學基金委員會創新研究群體項目“地球生物學”

6. 國家自然科學基金委員會與英國自然環境研究理事會合作研究項目“元古宙-顯生宙轉折期地球系統的劇烈波動與生物圈恢復力”

7. 科技部國家重大科學研究計劃課題“古海洋 MCP 儲碳的生物地球化學過程機制及 MCP 定量模型預測”

8. 國家自然科學基金委員會面上項目“華南寒武紀海洋化學的時空二維演化及其對早期動物演化的影響

9. 教育部新世紀優秀人才支持計劃“華北燕山盆地早中元古代古海洋化學時空演化及其對早期真核生命演化的影響”

10.?NASA Astrobiology Institute“Stoichiometry of Life – Task 3a – Ancient Geologic Records (PI: Ariel Anbar)”

11. 美國國家科學基金委“ Collaborative Research:? Biogeochemistry of Neoproterozoic Snowball Earth? and its Aftermath in South China? (PI:? Gordon Love) ”

12. 美國國家科學基金委“Collaborative research: Biogeochemistry of Snowball Earth (PI:Alex Sessions)”

13. 美國國家科學基金委“Collaborative Research: Hydrogen Isotope Biogeochemistry of Anoxic Environments – Field and Laboratory Studies (PI:? Alex Sessions)”

14. 國家自然科學基金委員會青年項目“中國中新元古代全時代沉積物分子有機地球化學研究”

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