近日，成都理工大学沉积与生物地球化学国际研究中心李超教授团队在国际顶级期刊Nature Communications发表重要研究成果“Marine phosphorus and atmospheric oxygen were coupled during the Great Oxidation Event”。该研究首次采用碳酸盐结合态磷酸根（Carbonate - Associated Phosphate, CAP）这一创新性、能够较直接指示古海洋磷酸盐含量的指标（由李超教授团队研发，参见 Matt et al., 2021, GCA），揭示了约24–21亿年前地球第一次大氧化事件（Great Oxidation Event, GOE）期间，海洋营养元素磷与大气氧含量之间的紧密耦合关系。这一发现不仅深化了我们对地球氧气起源与崛起机制的理解，也为探索地外宜居行星提供了全新的视角。

研究团队收集了来自四大洲、十四个碳酸盐岩地层单元的样品，测定了其中的CAP含量，以追踪GOE期间全球海水中磷酸根的浓度变化。这些地层记录了著名的碳同位素正偏移——洛马冈迪事件，为探讨海洋磷循环、碳循环与大气氧含量之间的耦合关系提供了独特窗口。结果显示，在GOE期间，不同地区的CAP值与碳酸盐碳同位素（δ¹³C_carb）变化高度同步：当δ¹³C_carb出现正偏（通常代表有机碳埋藏增强、净氧气积累），CAP值也显著升高（图1）。这表明，GOE期间海洋中磷含量的增加可能是驱动光合生物繁盛、促进有机碳埋藏、并最终导致大气氧气积累的关键因素。

图1. 洛马冈迪和伍利白云岩碳同位素 (δ¹³C_carb) 正偏期间的CAP 数据：高的δ¹³C_carb值伴随高CAP 值。a. 加蓬的 FC 组; b. 美国怀俄明州的纳什福克组；c. 西澳大利亚伍利白云岩。深灰色线代表局部加权散点图平滑处理。误差棒反映10%的不确定性。浅灰色代表碳酸盐碳同位素正偏移区间

为验证这一机制，团队进一步利用包含“近海、外陆架、远洋表层与远洋深水”的四箱生物地球化学模型，模拟磷输入对海洋碳-氧循环的影响（图2）。模型结果与地质记录高度一致：当海洋中磷输入增强时，光合生产力与氧气产量迅速上升；而当磷供应减少时，氧气水平随之回落。这与GOE中氧含量的波动趋势吻合。该结果表明，磷的可利用性是调控地球大气氧化的关键“阀门”，支持GOE主要由磷驱动的氧源增加所致，而非还原剂消耗减少的被动结果。

图2. 海洋四箱生物地球化学模型结果。a.近岸海洋的磷浓度; b.大气氧气浓度; c.有机碳埋藏比例; d-f. 近岸、远洋和深海箱中溶解无机碳的同位素组成。PAL：现代大气氧水平，DIC：溶解无机碳，绿色阴影代表 95% 结果的模型敏感性范围。b、d、e、f中的虚线分别指示地球化学证据约束的大气氧含量变化和洛马冈迪事件的平均 δ¹³C_carb 值（+8‰）

“这相当于给地球表层系统注入了燃料。”论文共同第一作者、李超教授前博士后、现工作于西澳大学的Matthew Dodd 博士解释道，“在早期海洋中，磷含量一旦升高，光合生物的生产力和有机碳埋藏就会显著增强。当更多有机碳被封存，氧气便能在大气中自由积累——这就是地球完成第一次‘深呼吸’的过程。”“氧气是复杂生命存在的基础。”李超教授指出，“这项研究不仅揭示了磷循环如何推动地球氧气含量上升，也为天体生物学提供了重要启示。在探索地外宜居行星时，富氧大气常被视为生命存在的潜在标志。我们提出的‘磷-氧耦合机制’清晰描绘了宜居星球上氧气的产生与积累路径，为解读系外行星的氧气探测数据提供了新的理论框架。”

总之，这项工作是早期地球环境与生命演化研究的一个重要进展。它表明，地球表层氧化过程并非单一的化学反应，而是一场由营养元素供应、生命活动与地球系统反馈共同推动的“生态革命”。尽管关于磷驱动地球氧化的细节仍需进一步探索，但这一研究无疑为揭开地球“氧气崛起”之谜奠定了坚实基础。