寒武紀(jì)生命大爆發(fā)一直是地球科學(xué)領(lǐng)域的重大謎題。為什么動(dòng)物生命會(huì)在距今約5.4億年前突然出現(xiàn)并快速多樣化？長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們將目光投向海洋的氧化。然而，真相遠(yuǎn)比“氧氣增多”更為復(fù)雜和精妙。近期，魏天媛博士在中國(guó)石油大學(xué)（北京）蔡春芳教授和Leeds大學(xué)Simon W. Poulton的共同指導(dǎo)下，在《GSA Bulletin》上連續(xù)發(fā)表兩項(xiàng)成果，共同描繪了一幅動(dòng)態(tài)的圖景：寒武紀(jì)早期海洋的氧氣含量劇烈波動(dòng)，而其背后的“導(dǎo)演”，正是關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素——磷的循環(huán)。磷的循環(huán)調(diào)控了海洋氧氣水平，最終決定了早期動(dòng)物演化的進(jìn)程。
（1）重建寒武紀(jì)早期塔里木海洋氧化還原時(shí)空演化
通過(guò)高分辨率分析塔里木盆地不同水深的玉爾吐斯組剖面鐵組分、氧化還原敏感元素和總有機(jī)碳含量等（圖1），研究團(tuán)隊(duì)精細(xì)刻畫(huà)了寒武紀(jì)早期塔里木海洋的氧化還原模型。他們發(fā)現(xiàn)，海洋并非簡(jiǎn)單地變得富氧，而是存在一個(gè)高度動(dòng)態(tài)變化的“氧氣最小帶”（OMZ），這個(gè)OMZ像呼吸一樣不斷擴(kuò)張和收縮（圖2）：
- 海平面上升時(shí)：上升流增強(qiáng)，帶來(lái)豐富營(yíng)養(yǎng)，導(dǎo)致生產(chǎn)力大增，耗氧加劇，使OMZ擴(kuò)張，缺氧范圍變大。
- 海平面下降時(shí)：上升流減弱，營(yíng)養(yǎng)減少，OMZ收縮，氧化水域擴(kuò)大。
這種氧氣的動(dòng)蕩環(huán)境，本身就可能為生物演化創(chuàng)造了持續(xù)的環(huán)境壓力，從而催化了新物種的首次出現(xiàn)和爆發(fā)。
圖1 塔里木盆地不同剖面地球化學(xué)指標(biāo)
圖2 塔里木盆地最小氧化帶OMZ時(shí)空演化模型
（2）磷循環(huán)的“精妙調(diào)控”
問(wèn)題是，什么因素在控制著OMZ 的動(dòng)態(tài)變化？通過(guò)先進(jìn)的不同存在形式磷含量分析技術(shù)，揭曉了其答案在于磷的循環(huán)。作為生命不可或缺的受限營(yíng)養(yǎng)元素，磷的供需平衡直接決定了生產(chǎn)力的高低，進(jìn)而控制氧氣的消耗與生產(chǎn)（圖3）：
- 正反饋—“高磷—缺氧”循環(huán)：寒武紀(jì)早期海洋強(qiáng)烈的上升流帶來(lái)大量磷，促進(jìn)了生產(chǎn)力，導(dǎo)致缺氧；而缺氧環(huán)境又能促進(jìn)沉積物中的磷釋放回水體，使海洋保持動(dòng)蕩的缺氧狀態(tài)。
- 負(fù)反饋—“固磷—增氧”轉(zhuǎn)變：隨著環(huán)境變化，氧化條件逐漸占據(jù)上風(fēng)。在氧化環(huán)境下，磷被有效地鎖定在沉積物中（如與鐵結(jié)合）。水體磷含量因此降低，生產(chǎn)力下降，耗氧減少，從而促進(jìn)了大范圍、更穩(wěn)定的氧化條件。
圖3 塔里木盆地磷循環(huán)模型
（3）生命在動(dòng)態(tài)平衡中綻放
這兩項(xiàng)成果共同告訴我們一個(gè)更完整的故事：寒武紀(jì)生命大爆發(fā)并非發(fā)生在簡(jiǎn)單的“高氧”環(huán)境中，而是發(fā)生在一個(gè)由海平面變化驅(qū)動(dòng)、磷循環(huán)精密調(diào)控的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)里（圖4）。
- 磷循環(huán)是“開(kāi)關(guān)”：它通過(guò)正負(fù)反饋，調(diào)控著海洋的氧氣含量。
- 氧氣波動(dòng)是“舞臺(tái)”：這個(gè)動(dòng)蕩的舞臺(tái)為生命演化提供了壓力和機(jī)遇。
- 生命爆發(fā)是“高潮”：當(dāng)“開(kāi)關(guān)”調(diào)節(jié)到合適的檔位，即營(yíng)養(yǎng)供給與氧化封存達(dá)到最佳平衡時(shí)，生命演化的“高潮”便如期而至。
圖4 塔里木盆地上升流、海平面變化、氧化還原條件、生物化石及磷循環(huán)綜合示意圖
研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊GSA Bulletin（魏天媛, 蔡春芳*, Y.J., Xiong, F.T., Bowyer, S., Poulton, A nutrient control on fluctuating oceanic redox conditions during the Early Cambrian radiation of animals [J]. Geological Society of America Bulletin, 2025. DOI: 10.1130/B37869.1; 魏天媛, 蔡春芳*, Y.J., Xiong, F.T., Bowyer, S., Poulton, Environmental controls on Early Cambrian macroevolution: Insights from the Tarim Basin, Northwest China[J]. Geological Society of America Bulletin, 2025. DOI: 10.1130/B38562.1.）。這是蔡春芳團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)塔里木盆地玉爾吐斯組烴源巖是臺(tái)盆區(qū)40-50億噸油氣的主力烴源巖而獲中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)一等獎(jiǎng)后，又一項(xiàng)重要成果。研究受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)（42530805和41730424）等項(xiàng)目資助。
