地球为何能成为目前已知唯一的适宜复杂生命生存的宜居星球？氧气无疑是其中的核心要素。但大气和海洋中的氧气并非同步生成，它们究竟是如何积累、演化，又如何协同作用，共同塑造了今天的宜居环境？
近日，成都理工大学沉积地质研究院李超教授团队王海洋研究员在国际顶尖综合性期刊The Innovation上发表了题为“地球大气和海洋的阶段性氧化”（Stagewise oxygenation of the Earth's atmosphere and oceans）的综述论文。该研究整合了包括硫酸盐三氧同位素（Δ′17O）在内的最新地球化学证据，对地球表层氧化历史提出了一个全新的系统性认知框架，颠覆了传统认为大气与海洋同步氧化的观点，首次明确揭示了“大气先行、海洋滞后”的协同演化模式，并系统阐述了这一过程如何动态约束了复杂生命的崛起与演化。
革新认知：大气氧化“三步走”，海洋响应“慢半拍”
传统主流观点认为，地球大气经历了三次主要的氧含量跃升事件而达到今天的氧化程度：大氧化事件（GOE，~24-21亿年前）、新元古代氧化事件（NOE，~8-5亿年前）和古生代氧化事件（POE，~4.2-3.6亿年前）（图1A）。然而，该研究指出，这一传统框架混合了大气与海洋的信号。
基于能够直接示踪大气氧含量的硫酸盐三氧同位素（Δ′17O）证据，研究发现第二次和第三次大气氧含量的跃升时间明显早于传统认识：分别发生于约13-10亿年和4.4-4.1亿年前，相较以往分别提前了至少约5亿年与2000万年。这一差异源于研究方法的本质不同：传统认识主要依据海洋氧化还原状态的演变，间接推测大气氧含量变化，而Δ′17O则依据大气氧直接的氧指纹信号重建大气氧含量变化。
研究表明，海洋氧化总是滞后于大气氧含量的跃升，即传统意义上的NOE和POE实质上是海洋对两次大气氧跃升的滞后响应而非两次大气氧含量跃升事件本身。鉴于传统框架（GOE-NOE-POE）混合了大气与海洋的信号，研究提出以强调大气氧跃升的独立命名体系（GOE-I、GOE-II、GOE-III）来描述地球大气的氧化历史更为清晰。其中，GOE-II（约13-10亿年）和GOE-III（约4.4-4.1亿年）分别对应并早于传统的海洋NOE和POE事件（图1B）。
图1 基于Δ′17O修订的大气氧含量演化曲线（B）及其与传统经典大气氧含量演化曲线的对比（A）和与海洋氧化、生命演化的协同历史（C）
爱恨纠缠：大气与海洋氧化的复杂多尺度耦合关系
研究进一步揭示，大气与海洋的氧化存在多尺度、复杂的正负耦合关系。在长达十亿年的尺度上，两者呈正耦合，长期协同上升；但在百万年的短尺度上，则可能出现负耦合。
当大气中的氧大量进入海洋时，会氧化海洋中储存的还原性物质（如有机碳、硫化氢），短期内大量消耗氧气，导致大气氧含量短暂下降，从而构成抑制大气氧含量持续上升的负反馈机制。这意味着，地质记录中的许多脉冲式海洋氧化事件，可能对应着大气氧的短暂“降低”而非“升高”，这颠覆了传统认知中将海洋氧化事件简单等同于大气氧含量脉冲上升的认识（图1A-B）。
模式转变：从局部“氧化绿洲”到全球海洋氧化
地球的氧化始于海洋。最早的氧气由光合蓝细菌在海洋浅水区产生，形成零星分布的“氧化绿洲”，随后逐渐在大气中积累并反馈回海洋。研究指出，两种海洋氧化模式长期共存但主导地位此消彼长：一是初级生产者驱动的局部海洋氧化模式（“海洋氧化绿洲”），其在早期无氧和低氧大气条件下广泛存在，二是大气氧驱动的全球海洋氧化模式，其随着大气氧含量的升高逐渐占据主导地位。
具体演化阶段如下：在GOE-I之前的太古代，海洋氧化完全依赖局部“氧化绿洲”；自GOE-I起，大气氧开始驱动海洋表层广泛氧化，与局部“氧化绿洲”共同调控海洋氧化状态；至GOE-II及之后，陆架“氧化绿洲”依然存在，但大气氧驱动的脉冲式全球海洋氧化事件频繁发生并占据主导地位；直到GOE-III之后，海洋基本实现全面氧化，形成类似现代的氧化格局——透光层富氧、深海通风良好、中层存在波动的氧最小带，而“氧化绿洲”仅残留于零星的缺氧湖泊中（图2）。
图2 大气-海洋氧化还原状态与生命演化的时空耦合关系
生命基石：氧化进程动态约束复杂生命演化
地球表层的氧化进程，为复杂生命的演化铺设了“氧气红毯”。在GOE-I之前，氧气被限制在零星的“海洋绿洲”中，抑制了需氧复杂真核生命的出现。在GOE-I至GOE-III的漫长过渡期，氧化还原条件持续动态变化，调控着复杂多细胞真核生物（包括动物）的生态空间。直到GOE-III前后，稳定且广泛的海洋氧化格局，最终为大型、活跃、高代谢需求的复杂生态系统（如脊椎动物、节肢动物等）的出现奠定了坚实基础（图1、2）。
“这项研究整合了最前沿的地球化学证据，为我们理解地球如何变得宜居提供了一个新的认知框架。”论文作者王海洋研究员表示，“它告诉我们，地球宜居性的构建是一场大气、海洋与生命之间长达数十亿年的‘接力赛’和‘协奏曲’，而非简单的同步跃进。”
“这一认识革新了我们对地球氧化史的传统认知，不仅揭示了地球自身宜居环境的形成机制，也为我们在宇宙中寻找其他可能宜居的行星提供了重要的参考。”论文通讯作者李超教授总结道。
总体而言，地球表层氧化是一个复杂的多阶段协同演化过程：始于早期生命驱动的海洋局部氧化，随后大气氧含量实现阶段性跃升并先行一步，最终驱动了海洋的广泛氧化；该过程具有显著的时空异质性和复杂反馈机制，并主导了复杂生命的演化进程。展望未来，通过高分辨率大气氧定量重建、多指标融合约束及跨圈层数值模拟，将可能进一步精确定量揭示地球表层氧化的奥秘。
论文信息：
Wang, H., Li, C. Stagewise oxygenation of the Earth’s atmosphere and oceans. The Innovation (2026). https://doi.org/10.1016/j.xinn.2026.101353
该成果由成都理工大学王海洋研究员与李超教授共同完成。
