南京大學地球科學與工程學院國際同位素效應研究中心教授彭永波、鮑惠銘和曹曉斌與成都理工大學教授李超團隊等，通過建立高分辨率硫酸鹽叁氧同位素數據記錄，結合系統生物地球化學模型定量分析，揭示了地球大氣由無氧向富氧轉變的階段性演化歷史和控制機制，為理解地球生命起源與演化和地球宜居性的形成與演化提供了關鍵的地球化學示蹤指標和重要的理論基礎。日前，相關研究成果發表在《自然》。
地球作為太陽系中目前已知唯一擁有生命的天體，其宜居性的形成與演化是地球系統科學研究的核心議題。地球大氣氧含量從無到有，并達到目前的富氧狀態的演變是驅動生命起源演化、改善行星宜居性的關鍵過程，所以深入探究地質歷史時期大氣氧含量的變化和控制機制對于理解宜居地球的形成具有重要意義。問題在于，目前缺乏有效的示蹤技術指標和數據來綜合定量研究地球表層氧儲庫以及其源與匯的變化和關鍵控制因子。沉積碳酸鹽巖中微量硫酸根中的叁氧同位素（Δ17O）指標可以連續記錄大氣氧獨有的非質量依賴的氧同位素負異常信號，進而能直接地追蹤古大氣氧含量的變化。
本研究通過系統采樣分析與文獻數據整合，建立了過去近30億年的硫酸根Δ17O演化記錄。該記錄顯示，大氣氧含量經歷了三次顯著躍遷，分別發生于古元古代（24–21億年前）、新元古代（約10億年前）和古生代（約4.4億年前），表明地球氧氣從無到有，并呈階段性上升，于約4.1億年前趨近現代穩定的富氧狀態。與此同時，新元古代高分辨率C–S–O同位素協同波動特征表明，大氣氧含量上升后，開始周期性氧化以缺氧為主的海洋，具體表現為碳酸鹽碳同位素δ13C與硫酸鹽叁氧同位素Δ17O和硫同位素δ34S的同步負偏。
課題組通過結合系統地球化學模型NEOCARBSULF與O2–CO2箱式模型分析，發現大氣氧驅動的這些海洋脈沖式氧化事件，促進了缺氧水體中有機碳與還原性硫的氧化，生成大量虧損34S/17O/13C的硫酸鹽與無機碳，從而引發C–S–O同位素的協同擾動；同時，該過程在短期內通過負反饋機制迅速消耗大量氧氣，抑制甚至逆轉了大氣氧的進一步上升。因此，本研究定量重建了地球大氣氧氣含量的演化歷史，揭示了大氣與海洋氧化狀態的動態耦合的協同演化機制。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09471-4