国家杰青，打破67年校史记录，首发Nature！

来源｜成都理工大学

北京时间2023年5月31日，成都理工大学沉积地质研究院、沉积与生物地球化学国际研究中心李超教授研究团队在Nature发表文章“Uncovering the Ediacaran phosphorus cycle”（解密埃迪卡拉纪磷循环）。据悉，这是成都理工大学建校67年以来首篇作为第一完成单位在国际顶级期刊Nature上发表的论文，实现了历史突破。

▲论文内页

▲李超（前排中间）团队

该成果利用自研技术重建了地球地质历史关键期埃迪卡拉纪（又称“震旦纪”）古海洋生命营养元素磷含量波动，发现了早期缺氧海洋磷含量波动和海洋氧化程度之间具有不同于现代海洋的解耦关系，提出了外部因素是古海洋实现氧化的原始驱动力假说。

它揭示了早期海洋能够维持漫长缺氧状态的根本原因和早期海洋能够最终实现氧化的根本机制。生命与地球氧化的关系不言而喻，因此，它不仅极大深化了人类对于地球宜居性演化和复杂生命演化规律的理解，更是在回答“我从哪里来，将到哪里去”的人类终极问题。

从磷入手解答沧海一瞬

我们生活的地球，距离形成之始已有约46亿年。在距今5.39亿年以前的前寒武纪，那时的海洋氧气含量极低，几乎没有多少复杂真核生命存在。

团队介绍，在那个遥远的年代，如果人顺着陆地下到洋面，很快就会遭遇没有氧气和大量诸如硫化氢这样的“死亡气体”。如果深入洋底，洋中脊正在源源不断地向外喷出巨量铁离子，总而言之，海洋整体处于缺氧分层的“死寂”状态，除了表层浅水区域外，整个海洋是真核生命的禁区，宛如“深渊”。

这是2010年李超教授发表在Science（《科学》）上的一篇论文，A Stratified Redox Model for the Ediacaran Ocean（《埃迪卡拉纪海洋氧化还原分层结构模型》）所揭示的古海洋的“样子”，被评审认为“阐明了新元古代海洋-大气化学演化与早期动物演化的关键连接”。“乘胜追击”，李超教授回国后组建团队，继续在这条路上“狂飙”。

众所周知的是，目前地球上，包括海洋生物在内，绝大部分复杂生物的生存都离不开氧气。此前科学家也提出，生物演化是从海洋到陆地，并反复论证寒武纪生物大爆发。

然而，前寒武纪海洋如此低氧，基本不具备生物生存的基本要素，那么，在距今6.35亿-5.39亿年之间埃迪卡拉纪，作为前寒武纪的最后一个阶段，海洋究竟发生了什么，到现在都维持了富氧状态？

研究的突破口从磷元素入手。

磷是生命的关键营养元素，而富氧状态是复杂海洋生态系统赖以存在的基础。现代海洋之所以能够处在一个相对稳定的氧化世界，原因就在于磷和氧气之间，存在一种耦合循环的负反馈机制。

简而言之就是海洋中氧气越多，生物可利用的溶解磷越少。与之对应，当海洋氧含量降低时，沉积物中的磷会被再活化而回到海洋中，从而增加海洋生产力和氧气产量（通过光合作用释放氧气），阻止海洋进一步缺氧。“这种循环平衡的模式，在很大程度上将现代海洋锁定在了一个相对稳定的氧化世界里，使地球上的复杂生命在地球上得以进化繁衍。”李超介绍。

▲现代海洋磷氧耦合循环机制

既然富氧的现代海洋存在这种磷氧耦合循环机制，那么，以缺氧分层为主要特征的前寒武纪海洋，是否也存在这种机制呢？

这一问题困扰学术界多年，也正是李超团队想要探索的关键问题。而要弄清这个问题，就需要一种能够直接追踪古海洋中磷含量的定量指标，来观察古海洋中磷含量的时空波动，探寻这种波动与氧化程度是否相关。

为此，团队通过不断尝试，终于在2021年成功研发了能够直接追踪古海洋磷含量的碳酸盐结合态磷酸盐（Carbonate-Associated Phosphate，简称CAP）技术指标。

在具备技术支撑之后，还要选择研究目标。团队将目光投注到了一段特殊的地层单元，即埃迪卡拉纪Shuram Excursion（简称为SE）事件地层。

这段地层记录了地球历史上最强烈的一次碳酸盐碳同位素负偏移事件，被认为可能与全球海洋氧化性的显著增强有关，对于回答早期地球海洋磷氧循环相互关系这一重大科学问题，是绝佳的选择。

结果显示，在SE事件中，世界各地区样品的CAP数据呈现的“M”型演化趋势，与古海洋氧化程度的变化没有出现期望的现代海洋式的耦合关系。这些观察表明，在埃迪卡拉纪的古海洋中，磷含量的变化与海洋的氧化程度是解耦的。

▲古海洋的磷氧解耦合漫画图解

排除掉海洋内部的原因，团队进一步推导出，SE时期古海洋的氧化是因为地质构造运动增强了大陆风化，让大量陆地风化起源的氧化剂、营养盐输入海洋引起的。日积月累，沧海桑田，量变终于引起质变，海洋逐渐氧化，动物也开始出现了。

那一刻，地球终于开始有了触发复杂生命崛起的条件，为了这一刻，它已经等了40亿年。

说服世界用中国技术解决国际难题

在这一篇Nature论文接受之前，李超和他的团队在过去的10多年里已经向这本顶刊投稿很多次了。“人生还是要搏一搏。”李超这样说。

在团队里，他负责盯准世界前沿科技问题，提出科学设想，带领年轻人们一起冲。

无法准确定量古海洋溶解磷含量曾一度让团队的研究陷入瓶颈。这是团队首当其冲必须解决的技术难题。

通过文献调研，他们了解到珊瑚能通过包裹磷酸氢根从而记录海水中磷酸根的变化，这给了他们灵感，“那古海洋在碳酸盐沉淀时是否也能记录海洋中磷酸根的变化呢？”

说干就干，李超教授团队开始在实验室进行大量的化学实验，在不同pH、温度条件下，他们合成碳酸盐，探究相关控制机制，发现不同含量的磷酸根海水溶液下合成的碳酸盐能真实记录溶液中磷酸根的变化，二者之间存在线性关系，这说明碳酸盐结合态磷酸盐（CAP）能够直接记录海洋中磷酸根的含量变化。

曙光初现。

CAP含量和海水溶液中磷酸根之间的线性关系受什么因素的影响？如何从更为复杂的地质样品中提取CAP？如何排除真实地质样品中可能出现的许多碎屑、沙子、黏土矿物等等对CAP的影响？如何评价漫长地质历史时期成岩作用的改造、各种地质作用对CAP指标造成的影响？……问题接踵而至。

李超团队在不断的实验、推翻、再实验、再推翻……的论证过程中，成功实现了CAP技术攻关。利用这个全球独一无二的技术，团队也终于成功解密了早期地球海洋磷循环演化。

他们郑重地第N次向Nature投稿，评审人的质疑马上如期而至。“研究的样品不具有完全代表性”“样品可能受到了成岩作用等带来的影响”“地层岩性变化也可能对结果构成影响”……

样品不具有完全代表性，那就重新寻找有代表性样品；成岩作用可能造成影响，那就无论强弱，都论证一遍；岩性变化产生潜在影响，那就寻找岩性相同的样品来论证……面对种种质疑，团队精益求精，力求完善，“用科学和事实服人”。

不懈的努力终于说服了评审人。在论文发表的评审意见里，评审人写到：“（作者经过增加新样品和新数据），文章有了很大的改变，但是研究结论没有变，而且（论证）使其变得更加可靠，因此，我不想再站在阻碍这篇论文发表的路上了。”

创新无尽还在路上

2004年，李超来到美国，其先后在美国加州理工学院和美国加州大学河滨分校留学深造。2011年，李超学成回到祖国。国外的经历，让他对国内相关问题面临技术“卡脖子”困境的局面有了更清晰的认识，更坚定了他带领团队突破项目难关的决心，“用别人的技术手段来解决自己的问题，始终属于一种跟跑的状态，没有领跑，这样是很被动的。”他说到。

创新精神和爱国情怀驱使着李超团队，他们渴望在科研的道路上通过不断的技术创新来驱动科学的创新和突破，从而从根本上实现我国在古海洋环境演化重建领域从跟跑并跑到领跑的转变。

下一步，李超教授团队将继续在古海洋环境演化领域开展关键卡脖子技术研发，通过技术创新实现国际科技前沿重大原始突破。

李超团队突破性成果的取得体现了我校去年开始倡导的开展“有组织的科研”科研新思路。

顺应时代和国家要求，成理科研瞄准国际科技前沿和国家重大需求，瞄准国家和学校都更需要的重大原始创新突破，攻克“卡脖子”问题的基础理论和关键技术，服务国家区域创新发展战略，提升行业产业发展核心竞争力，更有针对性和目的性地“瞄准射击”。这是在时代呼唤下，成理“不甘人后、敢为人先”的精神表达，也是成理“穷究于理、成就于工”校训的深刻体现。

■ 名词解释：

埃迪卡拉纪：在中国又称为震旦纪，为地质年代名称，是前寒武纪向显生宙转折的最后一个纪，属于新元古代的晚期。时限是距今6.35亿年-5.39亿年。

Shuram Excursion事件：全球范围内在埃迪卡拉纪发生的一次地质历史时期最大的碳同位素（δ¹³C_carb）负漂移事件。

该成果得到国家自然科学基金（41825019, 42130208, 41821001）、国家重点研发计划项目（2022YFF0800100）、中国博士后国际交流计划、中国博士后科学基金、“Forrest”研究基金、西澳大学地球科学系和NASA天体生物学研究所（合作协议NNA15BB03A）的资助。

作者贡献：李超教授（成都理工大学）领导了此项研究。李超教授和Matt Dodd博士（成都理工大学柔性引进客座教授，李超教授前博士后）设计了此项研究。Matt Dodd博士、张子虎博士（成都理工大学）、程猛研究员（成都理工大学）和谷昊东博士生（中国地质大学-武汉）开展了实验分析。石炜博士（成都理工大学）和Ben Mills副教授（英国利兹大学）开展了模型分析。李超教授、 Timothy Lyons教授（加州大学河滨分校）、Dalton Hardisty博士（美国密歇根州立大学东兰辛分校）、Sean Loyd博士（美国加州州立大学富尔顿分校）、Malcolm Wallace博士（澳大利亚墨尔本大学）、 Ashleigh Hood博士（澳大利亚墨尔本大学）、Kelsey Lamothe博士（澳大利亚墨尔本大学）、程猛研究员和谷昊东博士生提供了样品和开展了野外工作。Simon Poulton教授（英国利兹大学）提供了分析帮助。Matt Dodd博士、李超教授和石炜博士撰写了稿件并得到了全体共同作者讨论和帮助。

论文信息：Matthew Dodd, Wei Shi (石炜), Chao Li (李超; 通讯作者), Zihu Zhang (张子虎), Meng Cheng (程猛), Haodong Gu (谷昊东), 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

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06077-6

人物名片

李超，男，教授，博士生导师，沉积地质研究院院长，沉积地球化学与生物地球化学国际研究中心主任。

致力于海洋环境演化及其生命、矿产和能源效应研究（沉积地球化学、生物地球化学、地球生物学），主持科技部国家重大科学研究计划课题等国家级项目8项。在Science、Nature等国际重要学术期刊发表论文100余篇。

▼向下滑动查看曾承担过的科研项目

1.国家重点研发计划项目课题“新元古代大氧化事件和极端气候事件的时空演变精细过程和机制”

2. 国家自然科学基金委员会重点基金项目“埃迪卡拉纪海洋磷循环转变的过程、机制及其地球生物学效应研究”

3. 国家XX计划科技创新领军人才项目

4. 国家自然科学基金委员会杰出青年基金项目“地球生物学”

5. 国家自然科学基金委员会创新研究群体项目“地球生物学”

6. 国家自然科学基金委员会与英国自然环境研究理事会合作研究项目“元古宙-显生宙转折期地球系统的剧烈波动与生物圈恢复力”

7. 科技部国家重大科学研究计划课题“古海洋 MCP 储碳的生物地球化学过程机制及 MCP 定量模型预测”

8. 国家自然科学基金委员会面上项目“华南寒武纪海洋化学的时空二维演化及其对早期动物演化的影响

9. 教育部新世纪优秀人才支持计划“华北燕山盆地早中元古代古海洋化学时空演化及其对早期真核生命演化的影响”

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

11. 美国国家科学基金委“ Collaborative Research: Biogeochemistry of Neoproterozoic Snowball Earth and its Aftermath in South China (PI: Gordon Love) ”

12. 美国国家科学基金委“Collaborative research: Biogeochemistry of Snowball Earth (PI:Alex Sessions)”

13. 美国国家科学基金委“Collaborative Research: Hydrogen Isotope Biogeochemistry of Anoxic Environments – Field and Laboratory Studies (PI: Alex Sessions)”

14. 国家自然科学基金委员会青年项目“中国中新元古代全时代沉积物分子有机地球化学研究”

国家杰青，打破67年校史记录，首发Nature！

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