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來(lái)源｜成都理工大學(xué)

北京時(shí)間2023年5月31日，成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院、沉積與生物地球化學(xué)國(guó)際研究中心李超教授研究團(tuán)隊(duì)在Nature發(fā)表文章“Uncovering the Ediacaran phosphorus cycle”（解密埃迪卡拉紀(jì)磷循環(huán)）。據(jù)悉，這是成都理工大學(xué)建校67年以來(lái)首篇作為第一完成單位在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature上發(fā)表的論文，實(shí)現(xiàn)了歷史突破。

▲論文內(nèi)頁(yè)

▲李超（前排中間）團(tuán)隊(duì)

該成果利用自研技術(shù)重建了地球地質(zhì)歷史關(guān)鍵期埃迪卡拉紀(jì)（又稱“震旦紀(jì)”）古海洋生命營(yíng)養(yǎng)元素磷含量波動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了早期缺氧海洋磷含量波動(dòng)和海洋氧化程度之間具有不同于現(xiàn)代海洋的解耦關(guān)系，提出了外部因素是古海洋實(shí)現(xiàn)氧化的原始驅(qū)動(dòng)力假說(shuō)。

它揭示了早期海洋能夠維持漫長(zhǎng)缺氧狀態(tài)的根本原因和早期海洋能夠最終實(shí)現(xiàn)氧化的根本機(jī)制。生命與地球氧化的關(guān)系不言而喻，因此，它不僅極大深化了人類對(duì)于地球宜居性演化和復(fù)雜生命演化規(guī)律的理解，更是在回答“我從哪里來(lái)，將到哪里去”的人類終極問(wèn)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(jì)，那時(shí)的海洋氧氣含量極低，幾乎沒(méi)有多少?gòu)?fù)雜真核生命存在。

團(tuán)隊(duì)介紹，在那個(gè)遙遠(yuǎn)的年代，如果人順著陸地下到洋面，很快就會(huì)遭遇沒(méi)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(tài)，除了表層淺水區(qū)域外，整個(gè)海洋是真核生命的禁區(qū)，宛如“深淵”。

這是2010年李超教授發(fā)表在Science（《科學(xué)》）上的一篇論文，A Stratified Redox Model for the Ediacaran Ocean（《埃迪卡拉紀(jì)海洋氧化還原分層結(jié)構(gòu)模型》）所揭示的古海洋的“樣子”，被評(píng)審認(rèn)為“闡明了新元古代海洋-大氣化學(xué)演化與早期動(dòng)物演化的關(guān)鍵連接”。“乘勝追擊”，李超教授回國(guó)后組建團(tuán)隊(duì)，繼續(xù)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(nèi)，絕大部分復(fù)雜生物的生存都離不開氧氣。此前科學(xué)家也提出，生物演化是從海洋到陸地，并反復(fù)論證寒武紀(jì)生物大爆發(fā)。

然而，前寒武紀(jì)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(jì)，作為前寒武紀(jì)的最后一個(gè)階段，海洋究竟發(fā)生了什么，到現(xiàn)在都維持了富氧狀態(tài)？

研究的突破口從磷元素入手。

磷是生命的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素，而富氧狀態(tài)是復(fù)雜海洋生態(tài)系統(tǒng)賴以存在的基礎(chǔ)。現(xiàn)代海洋之所以能夠處在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)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(huán)的負(fù)反饋機(jī)制。

簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)，當(dāng)海洋氧含量降低時(shí)，沉積物中的磷會(huì)被再活化而回到海洋中，從而增加海洋生產(chǎn)力和氧氣產(chǎn)量（通過(guò)光合作用釋放氧氣），阻止海洋進(jìn)一步缺氧?！斑@種循環(huán)平衡的模式，在很大程度上將現(xiàn)代海洋鎖定在了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的氧化世界里，使地球上的復(fù)雜生命在地球上得以進(jìn)化繁衍?！崩畛榻B。

▲現(xiàn)代海洋磷氧耦合循環(huán)機(jī)制

既然富氧的現(xiàn)代海洋存在這種磷氧耦合循環(huán)機(jī)制，那么，以缺氧分層為主要特征的前寒武紀(jì)海洋，是否也存在這種機(jī)制呢？

這一問(wèn)題困擾學(xué)術(shù)界多年，也正是李超團(tuán)隊(duì)想要探索的關(guān)鍵問(wèn)題。而要弄清這個(gè)問(wèn)題，就需要一種能夠直接追蹤古海洋中磷含量的定量指標(biāo)，來(lái)觀察古海洋中磷含量的時(shí)空波動(dòng)，探尋這種波動(dòng)與氧化程度是否相關(guān)。

為此，團(tuán)隊(duì)通過(guò)不斷嘗試，終于在2021年成功研發(fā)了能夠直接追蹤古海洋磷含量的碳酸鹽結(jié)合態(tài)磷酸鹽（Carbonate-Associated Phosphate，簡(jiǎn)稱CAP）技術(shù)指標(biāo)。

在具備技術(shù)支撐之后，還要選擇研究目標(biāo)。團(tuán)隊(duì)將目光投注到了一段特殊的地層單元，即埃迪卡拉紀(jì)Shuram Excursion（簡(jiǎn)稱為SE）事件地層。

這段地層記錄了地球歷史上最強(qiáng)烈的一次碳酸鹽碳同位素負(fù)偏移事件，被認(rèn)為可能與全球海洋氧化性的顯著增強(qiáng)有關(guān)，對(duì)于回答早期地球海洋磷氧循環(huán)相互關(guān)系這一重大科學(xué)問(wèn)題，是絕佳的選擇。

結(jié)果顯示，在SE事件中，世界各地區(qū)樣品的CAP數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的“M”型演化趨勢(shì)，與古海洋氧化程度的變化沒(méi)有出現(xiàn)期望的現(xiàn)代海洋式的耦合關(guān)系。這些觀察表明，在埃迪卡拉紀(jì)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(nèi)部的原因，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步推導(dǎo)出，SE時(shí)期古海洋的氧化是因?yàn)榈刭|(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)了大陸風(fēng)化，讓大量陸地風(fēng)化起源的氧化劑、營(yíng)養(yǎng)鹽輸入海洋引起的。日積月累，滄海桑田，量變終于引起質(zhì)變，海洋逐漸氧化，動(dòng)物也開始出現(xiàn)了。

那一刻，地球終于開始有了觸發(fā)復(fù)雜生命崛起的條件，為了這一刻，它已經(jīng)等了40億年。

說(shuō)服世界用中國(guó)技術(shù)解決國(guó)際難題

在這一篇Nature論文接受之前，李超和他的團(tuán)隊(duì)在過(guò)去的10多年里已經(jīng)向這本頂刊投稿很多次了?！叭松€是要搏一搏?！崩畛@樣說(shuō)。

在團(tuán)隊(duì)里，他負(fù)責(zé)盯準(zhǔn)世界前沿科技問(wèn)題，提出科學(xué)設(shè)想，帶領(lǐng)年輕人們一起沖。

無(wú)法準(zhǔn)確定量古海洋溶解磷含量曾一度讓團(tuán)隊(duì)的研究陷入瓶頸。這是團(tuán)隊(duì)首當(dāng)其沖必須解決的技術(shù)難題。

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，他們了解到珊瑚能通過(guò)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(shí)是否也能記錄海洋中磷酸根的變化呢？”?

說(shuō)干就干，李超教授團(tuán)隊(duì)開始在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大量的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，在不同pH、溫度條件下，他們合成碳酸鹽，探究相關(guān)控制機(jī)制，發(fā)現(xiàn)不同含量的磷酸根海水溶液下合成的碳酸鹽能真實(shí)記錄溶液中磷酸根的變化，二者之間存在線性關(guān)系，這說(shuō)明碳酸鹽結(jié)合態(tài)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(xiàn)。

CAP含量和海水溶液中磷酸根之間的線性關(guān)系受什么因素的影響？如何從更為復(fù)雜的地質(zhì)樣品中提取CAP？如何排除真實(shí)地質(zhì)樣品中可能出現(xiàn)的許多碎屑、沙子、黏土礦物等等對(duì)CAP的影響？如何評(píng)價(jià)漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期成巖作用的改造、各種地質(zhì)作用對(duì)CAP指標(biāo)造成的影響？……問(wèn)題接踵而至。

李超團(tuán)隊(duì)在不斷的實(shí)驗(yàn)、推翻、再實(shí)驗(yàn)、再推翻……的論證過(guò)程中，成功實(shí)現(xiàn)了CAP技術(shù)攻關(guān)。利用這個(gè)全球獨(dú)一無(wú)二的技術(shù)，團(tuán)隊(duì)也終于成功解密了早期地球海洋磷循環(huán)演化。

他們鄭重地第N次向Nature投稿，評(píng)審人的質(zhì)疑馬上如期而至?！把芯康臉悠凡痪哂型耆硇浴薄皹悠房赡苁艿搅顺蓭r作用等帶來(lái)的影響”“地層巖性變化也可能對(duì)結(jié)果構(gòu)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(wú)論強(qiáng)弱，都論證一遍；巖性變化產(chǎn)生潛在影響，那就尋找?guī)r性相同的樣品來(lái)論證……面對(duì)種種質(zhì)疑，團(tuán)隊(duì)精益求精，力求完善，“用科學(xué)和事實(shí)服人”。

不懈的努力終于說(shuō)服了評(píng)審人。在論文發(fā)表的評(píng)審意見(jiàn)里，評(píng)審人寫到：“（作者經(jīng)過(guò)增加新樣品和新數(shù)據(jù)），文章有了很大的改變，但是研究結(jié)論沒(méi)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(fā)表的路上了。”

創(chuàng)新無(wú)盡還在路上

2004年，李超來(lái)到美國(guó)，其先后在美國(guó)加州理工學(xué)院和美國(guó)加州大學(xué)河濱分校留學(xué)深造。2011年，李超學(xué)成回到祖國(guó)。國(guó)外的經(jīng)歷，讓他對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)問(wèn)題面臨技術(shù)“卡脖子”困境的局面有了更清晰的認(rèn)識(shí)，更堅(jiān)定了他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)突破項(xiàng)目難關(guān)的決心，“用別人的技術(shù)手段來(lái)解決自己的問(wèn)題，始終屬于一種跟跑的狀態(tài)，沒(méi)有領(lǐng)跑，這樣是很被動(dòng)的。”他說(shuō)到。

創(chuàng)新精神和愛(ài)國(guó)情懷驅(qū)使著李超團(tuán)隊(duì)，他們渴望在科研的道路上通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新來(lái)驅(qū)動(dòng)科學(xué)的創(chuàng)新和突破，從而從根本上實(shí)現(xiàn)我國(guó)在古海洋環(huán)境演化重建領(lǐng)域從跟跑并跑到領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變。

下一步，李超教授團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)在古海洋環(huán)境演化領(lǐng)域開展關(guān)鍵卡脖子技術(shù)研發(fā)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)國(guó)際科技前沿重大原始突破。

李超團(tuán)隊(duì)突破性成果的取得體現(xiàn)了我校去年開始倡導(dǎo)的開展“有組織的科研”科研新思路。

順應(yīng)時(shí)代和國(guó)家要求，成理科研瞄準(zhǔn)國(guó)際科技前沿和國(guó)家重大需求，瞄準(zhǔn)國(guó)家和學(xué)校都更需要的重大原始創(chuàng)新突破，攻克“卡脖子”問(wèn)題的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，服務(wù)國(guó)家區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略，提升行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展核心競(jìng)爭(zhēng)力，更有針對(duì)性和目的性地“瞄準(zhǔn)射擊”。這是在時(shí)代呼喚下，成理“不甘人后、敢為人先”的精神表達(dá)，也是成理“窮究于理、成就于工”校訓(xùn)的深刻體現(xiàn)。

■ 名詞解釋：

埃迪卡拉紀(jì)：在中國(guó)又稱為震旦紀(jì)，為地質(zhì)年代名稱，是前寒武紀(jì)向顯生宙轉(zhuǎn)折的最后一個(gè)紀(jì)，屬于新元古代的晚期。時(shí)限是距今6.35億年-5.39億年。

Shuram Excursion事件：全球范圍內(nèi)在埃迪卡拉紀(jì)發(fā)生的一次地質(zhì)歷史時(shí)期最大的碳同位素（δ¹³C_carb）負(fù)漂移事件。

該成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金（41825019, 42130208, 41821001）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFF0800100）、中國(guó)博士后國(guó)際交流計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金、“Forrest”研究基金、西澳大學(xué)地球科學(xué)系和NASA天體生物學(xué)研究所（合作協(xié)議NNA15BB03A）的資助。

作者貢獻(xiàn)：李超教授（成都理工大學(xué)）領(lǐng)導(dǎo)了此項(xiàng)研究。李超教授和Matt Dodd博士（成都理工大學(xué)柔性引進(jìn)客座教授，李超教授前博士后）設(shè)計(jì)了此項(xiàng)研究。Matt Dodd博士、張子虎博士（成都理工大學(xué)）、程猛研究員（成都理工大學(xué)）和谷昊東博士生（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)-武漢）開展了實(shí)驗(yàn)分析。石煒博士（成都理工大學(xué)）和Ben Mills副教授（英國(guó)利茲大學(xué)）開展了模型分析。李超教授、 Timothy Lyons教授（加州大學(xué)河濱分校）、Dalton Hardisty博士（美國(guó)密歇根州立大學(xué)東蘭辛分校）、Sean Loyd博士（美國(guó)加州州立大學(xué)富爾頓分校）、Malcolm Wallace博士（澳大利亞墨爾本大學(xué)）、 Ashleigh Hood博士（澳大利亞墨爾本大學(xué)）、Kelsey Lamothe博士（澳大利亞墨爾本大學(xué)）、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(guó)利茲大學(xué)）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(dǎo)師，沉積地質(zhì)研究院院長(zhǎng)，沉積地球化學(xué)與生物地球化學(xué)國(guó)際研究中心主任。

致力于海洋環(huán)境演化及其生命、礦產(chǎn)和能源效應(yīng)研究（沉積地球化學(xué)、生物地球化學(xué)、地球生物學(xué)），主持科技部國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃課題等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目8項(xiàng)。在Science、Nature等國(guó)際重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文100余篇。

▼向下滑動(dòng)查看曾承擔(dān)過(guò)的科研項(xiàng)目

1.國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題“新元古代大氧化事件和極端氣候事件的時(shí)空演變精細(xì)過(guò)程和機(jī)制”

2. 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重點(diǎn)基金項(xiàng)目“埃迪卡拉紀(jì)海洋磷循環(huán)轉(zhuǎn)變的過(guò)程、機(jī)制及其地球生物學(xué)效應(yīng)研究”

3. 國(guó)家XX計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目

4. 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)杰出青年基金項(xiàng)目“地球生物學(xué)”

5. 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目“地球生物學(xué)”

6. 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與英國(guó)自然環(huán)境研究理事會(huì)合作研究項(xiàng)目“元古宙-顯生宙轉(zhuǎn)折期地球系統(tǒng)的劇烈波動(dòng)與生物圈恢復(fù)力”

7. 科技部國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃課題“古海洋 MCP 儲(chǔ)碳的生物地球化學(xué)過(guò)程機(jī)制及 MCP 定量模型預(yù)測(cè)”

8. 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)面上項(xiàng)目“華南寒武紀(jì)海洋化學(xué)的時(shí)空二維演化及其對(duì)早期動(dòng)物演化的影響

9. 教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃“華北燕山盆地早中元古代古海洋化學(xué)時(shí)空演化及其對(duì)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金委“ Collaborative Research:? Biogeochemistry of Neoproterozoic Snowball Earth? and its Aftermath in South China? (PI:? Gordon Love) ”

12. 美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委“Collaborative research: Biogeochemistry of Snowball Earth (PI:Alex Sessions)”

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

14. 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)青年項(xiàng)目“中國(guó)中新元古代全時(shí)代沉積物分子有機(jī)地球化學(xué)研究”

原創(chuàng)文章，作者：菜菜歐尼醬，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/01/11/1ed04eb93b/

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