在地球约46亿年的漫长历史中，约5.4亿年前的寒武纪早期上演了一场波澜壮阔的生命演化奇迹——在相对短暂的地质时期内，绝大多数现代动物门类“突然”在地球上涌现，这就是著名的“寒武纪大爆发”。然而，这场生命剧变并非匀速平稳进行，而是呈现出一种独特的“脉冲”模式：生物的多样性时而蓬勃绽放，时而相对沉寂。
究竟是什么在幕后调控着这场生命演化的节奏？长期以来，科学家们推测，大气和海洋中氧气含量的周期性波动可能是关键。已有的地质证据表明，海水化学指标（如碳、硫同位素）与生物多样性同步起伏，暗示着当时的地球环境，特别是浅海氧含量，在进行着周期性的“呼吸”。但驱动这种周期性环境变化的动力源自何方，一直是个未解之谜。
近日，中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究团队博士后张莹刚与中英科研人员合作，通过频谱分析和地球系统箱式模型模拟发现，这一脉冲式增氧过程的幕后推手可能是地球长时间尺度的轨道变化即地球的轨道周期。相关研究成果已发表在权威期刊《地球物理研究通讯》，为我们理解寒武纪生命大爆发的“脉冲”模式提供了全新的视角。
朱茂炎的中英合作研究团队早在2019年就通过西伯利亚的连续地层记录，揭示了寒武纪早期海洋动物多样性存在着约200万至300万年的盛衰周期，并与海水碳、硫同位素的波动高度吻合。他们将此归因于全球有机碳和黄铁矿埋藏量的周期性变化，进而导致氧含量的起伏，最终影响了早期动物的演化进程。
在此基础上，研究团队提出了一个大胆的假说：驱动这一系列连锁反应的终极力量，可能来自地球绕日运行轨道的长周期变化。地球轨道变化会缓慢改变地表不同纬度接收到的太阳辐射量，从而引发全球气候的周期性波动。这种周期性气候变化，进而调控了大陆风化作用的强度。
当风化作用增强时，更多的关键营养物质（如磷）从陆地被输入海洋，犹如为海洋生物注入了一剂“营养强心针”。这极大地刺激了浮游植物的光合作用，一方面产生了更多氧气，另一方面促进了有机质埋藏，将碳长期封存在海底。这两个过程共同作用，导致了大气和表层海洋氧含量的周期性上升，为需氧量较高的动物（包括我们的早期祖先）的繁盛创造了契机。
为了验证这一假说，研究团队展开了精密的科学论证。他们首先对寒武纪早期的碳-硫同位素数据进行了频谱分析，结果惊喜地发现了1.2、2.6和4.5百万年的周期性信号，这些周期与地球早古生代时期长轨道周期的理论报道值惊人地一致。这为假说提供了强有力的观测证据。
随后，研究团队利用先进的地球系统箱式模型进行了数值模拟实验。当在模型中引入气候轨道驱动因子后，计算机成功复现了寒武纪早期海洋中观察到的碳-硫同位素同步周期性波动。这一模拟结果，从理论上证实了“地球轨道变化→全球气候变化→大陆风化作用→营养物质输入→海洋生产力与埋藏→氧含量波动”这一完整链条的可行性。
更有趣的是，模型还揭示，寒武纪海洋本身的低硫酸盐浓度，可能扮演了“放大器”的角色。它使得当时的地球化学生态系统对轨道驱动的营养输入异常敏感，从而放大了环境波动的幅度，使得生命的“脉搏”跳动得更加清晰可辨。
这项研究巧妙地将天体力学、气候学与生物地球化学循环联系起来，揭示了地球系统各圈层（岩石圈、水圈、大气圈、生物圈）之间精妙而深刻的联动。它不仅解释了寒武纪生命大爆发为何呈现出脉冲节奏，也为理解整个地球历史中其他时期的周期性环境与生命演化事件提供了崭新的思路。
（本研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金委等多方资助支持。）
论文相关信息：
He T*, Zhu M*, Mills BJW, Wynn PM, Zhuravlev AY, Tostevin R, et al. Possible links between extreme oxygen perturbations and the Cambrian radiation of animals. Nature Geoscience 2019; 12: 468–74. https://doi.org/10.1038/s41561-019-0357-z.
Zhang Y, Mills BJW, Newton RJ, He T, Roper A, Yang T*, and Zhu M*. Orbitally-driven nutrient pulses linked to early Cambrian periodic oxygenation and animal radiation. Geophysical Research Letters 2025; 52: e2025GL118689. https://doi.org/10.1029/2025GL118689.
图1. 碳酸盐岩碳同位素与碳酸盐相关硫酸盐硫同位素记录。(a)西伯利亚台地寒武纪早期海水碳、硫同位素记录；(b)海洋动物物种数量变化；(c)碳同位素记录的小波分析结果；(d–e)硫同位素记录中的0.384和1.2百万年滤波输出结果。
图2. SCION模型中新增的轨道驱动气候变化。(a)过去1500–2450千年间北纬65°太阳辐射量和北纬40°–80°大气温度的比对；(b)过去1500–2450千年间太阳辐射量与大气温度的散点图；(c)太阳辐射变化引起的大气温差在SCION模型气候数据集中的叠加示意图。
图3. SCION模型模拟结果。(a)陆架区营养物质（磷）储库规模；(b)模拟的海洋缺氧程度，与铀同位素及铁组分数据对比；(c–d)陆架区海洋有机碳与黄铁矿埋藏通量；(e–f)海洋碳、硫同位素变化。
作者：盛捷、张莹刚
来源：中国科学院南京地质古生物研究所
链接：https://nigpas.cas.cn/kyjz/202510/t20251027_7996958.html
原标题：寒武纪大爆发的“起搏器”：轨道驱动的营养物质输入引发氧含量的周期性变化
编辑排版：盛捷