地大新聞網(wǎng)訊 （記者 孫彥欽）近日，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)微生物與環(huán)境全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳中強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際著名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）在線(xiàn)發(fā)表題為《地球系統(tǒng)的不穩(wěn)定態(tài)放大了二疊紀(jì)末大滅絕后生物地球化學(xué)循環(huán)的震蕩》（Earth system instability amplified biogeochemical oscillations following the end-Permian mass extinction）的研究成果。文章第一作者為李子珩博士；陳中強(qiáng)教授為唯一通訊作者；?？巳卮髮W(xué)蒂姆·倫頓( Tim Lenton) 教授，斯圖爾特·戴恩斯（Stuart Daines）教授與南京大學(xué)張飛飛教授參與了本項(xiàng)研究工作。
這項(xiàng)研究在傳統(tǒng)生物地球化學(xué)模型的基礎(chǔ)上加入了非線(xiàn)性分析模塊，開(kāi)發(fā)出新的“自持振蕩”（self-sustaining oscillation）模型，模擬二疊紀(jì)末大滅絕及其后持續(xù)約600萬(wàn)年的溫室、碳循環(huán)和海洋氧化還原環(huán)境波動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系和驅(qū)動(dòng)機(jī)制。結(jié)果表明發(fā)生在早三疊世溫室時(shí)期一系列生物地球化學(xué)劇烈波動(dòng)，是大滅絕時(shí)地球系統(tǒng)遭受?chē)?yán)重破壞后出現(xiàn)的內(nèi)部連鎖反應(yīng)，是表生地球系統(tǒng)的“不穩(wěn)定系統(tǒng)性行為”，不受更多外部驅(qū)動(dòng)力的疊加或反復(fù)出現(xiàn)。
顯生宙以來(lái)，地球生命遭受至少五次大滅絕的洗禮，其中，發(fā)生在2.52 億年前二疊紀(jì)末大滅絕為最慘烈，導(dǎo)致生物多樣性劇減，并伴隨多種環(huán)境因子的劇烈波動(dòng)。后者一直延續(xù)到大滅絕后600萬(wàn)年（圖1），其誘因和驅(qū)動(dòng)機(jī)制長(zhǎng)期懸而未決。
圖1.二疊紀(jì)大滅絕后顯著的生物地球化學(xué)循環(huán)波動(dòng)與延遲的生物復(fù)蘇，圖為由同位素地球化學(xué)指標(biāo)（比如無(wú)機(jī)碳同位素、牙形石氧同位素，碳酸鹽巖鈾同位素等）表達(dá)的多種環(huán)境因子出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)600萬(wàn)年劇烈震蕩時(shí)期。
近半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，全球?qū)W者對(duì)此次事件的關(guān)注從未減弱，提出了諸多假設(shè)來(lái)解釋期間發(fā)生的多種極端生態(tài)環(huán)境現(xiàn)象。2002年，美國(guó)學(xué)者鮑勃·伯納（Bob Berner）首次利用生物地球化學(xué)模型模擬此次重大氣候—環(huán)境—生態(tài)轉(zhuǎn)折事件，他的主要結(jié)論和有預(yù)見(jiàn)性的推測(cè)在之后的二十年里不斷地被科學(xué)家們反復(fù)驗(yàn)證。不過(guò)，受限于模型框架或數(shù)值求解手段的限制，前人完成的數(shù)值模擬都強(qiáng)調(diào)了“驅(qū)動(dòng)與響應(yīng)（forced-respond）”的觀(guān)點(diǎn)，即磷—碳—氧（P-O-C）循環(huán)的波動(dòng)需要多期次外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。比如，利用輕碳輸入來(lái)擬合早三疊世地球化學(xué)指標(biāo)的異常。具體來(lái)講，外部驅(qū)動(dòng)力的強(qiáng)度直接控制了模型輸出的環(huán)境因子異常的幅度，即簡(jiǎn)單的線(xiàn)性相關(guān)。但這種觀(guān)點(diǎn)忽略了復(fù)雜非線(xiàn)性過(guò)程在長(zhǎng)時(shí)間尺度生物地球化學(xué)循環(huán)中所扮演的重要角色，以及大氣—海洋—陸地系統(tǒng)穩(wěn)定性在這些過(guò)程中所起的重要作用。
因此，本文提出了“forced-stability-respond（驅(qū)動(dòng)—穩(wěn)定性—響應(yīng)）”觀(guān)點(diǎn)。通俗地說(shuō)，面對(duì)同樣的外部驅(qū)動(dòng)力，不同穩(wěn)定性的地球系統(tǒng)會(huì)有完全不同的響應(yīng)；同樣穩(wěn)定性的地球系統(tǒng)，在面對(duì)同類(lèi)型的外部驅(qū)動(dòng)力時(shí)，存在觸發(fā)波動(dòng)的臨界閾值。為此，我們引入非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)的概念與研究方法，在傳統(tǒng)的碳—氧—磷—硫—生物演化模型（COPSE 模型）基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出新的“自持振蕩”模型，模擬早三疊世極端環(huán)境因子的劇烈波動(dòng)過(guò)程，揭示地球系統(tǒng)中不同環(huán)境因子在面對(duì)同樣外部壓力時(shí)的不同響應(yīng)（圖2）。
圖2.二疊紀(jì)大滅絕后環(huán)境波動(dòng)與模擬結(jié)果的對(duì)比（時(shí)間序列模式）。
模擬結(jié)果顯示，在地球系統(tǒng)穩(wěn)定性較高時(shí)，單一期次的外部驅(qū)動(dòng)力的輸入無(wú)法模擬出與我們實(shí)際數(shù)據(jù)中觀(guān)測(cè)相一致的波動(dòng)模式。不過(guò)，當(dāng)?shù)厍蛳到y(tǒng)穩(wěn)定性較低時(shí)，輸入同樣的外部驅(qū)動(dòng)力，擬合出環(huán)境因子周期性波動(dòng)模式，與實(shí)際地質(zhì)記錄展現(xiàn)的模式一致。
研究認(rèn)為，二疊紀(jì)末大滅絕后多種環(huán)境因子的波動(dòng)是地球系統(tǒng)遭受打擊后出現(xiàn)的周期性、系統(tǒng)性的響應(yīng)行為，而不是多種類(lèi)型、多期次的獨(dú)立環(huán)境事件。這與“打水漂”的動(dòng)力模式類(lèi)似，并且這些環(huán)境因子在大滅絕后至少打了三次“水漂”。
從生物地球化學(xué)循環(huán)視角來(lái)看，受海洋氧化還原狀態(tài)控制的磷埋藏過(guò)程主導(dǎo)了大氣—海洋—陸地系統(tǒng)的磷—碳—氧循環(huán)，隨著大滅絕時(shí)發(fā)生的西伯利亞大火成巖省火山噴發(fā)，陸地、海洋生態(tài)系統(tǒng)的快速崩潰導(dǎo)致磷—碳—氧循環(huán)穩(wěn)定性發(fā)生巨變。地球系統(tǒng)從晚二疊世穩(wěn)定磷—碳—氧循環(huán)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱嗽缛B世不穩(wěn)定磷—碳—氧循環(huán)，并最終導(dǎo)致了劇烈波動(dòng)（如圖1）。從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，磷—碳—氧循環(huán)，即一個(gè)三維微分方程組的解，發(fā)生了本質(zhì)上的改變（圖3），二疊紀(jì)時(shí)微分方程組的解是一個(gè)吸引子，二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交微分方程組的解轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)排斥子，這個(gè)排斥子的雅各比矩陣（Jacobian）至少有一個(gè)為正的特征值。
圖3. 三疊紀(jì)早期磷-氧-碳循環(huán)波動(dòng)（三維相圖分析）。a：二疊紀(jì)穩(wěn)定系統(tǒng)，b-d：三疊紀(jì)穩(wěn)定系統(tǒng)，e-g：三疊紀(jì)不穩(wěn)定系統(tǒng)
值得注意的是，本研究開(kāi)發(fā)的新模型是地球科學(xué)與非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)學(xué)科交叉的產(chǎn)物，屬于中等復(fù)雜程度的地球系統(tǒng)模型，可以同時(shí)模擬3種因子的變化和內(nèi)在聯(lián)系，也可用于模擬其他地史時(shí)期重大環(huán)境因子波動(dòng)行為。該模型也是是蒂姆·倫頓( Tim Lenton) 教授提出的現(xiàn)代地球系統(tǒng)臨界閾值（tipping points）在二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交極端環(huán)境波動(dòng)的應(yīng)用。
上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家留學(xué)基金委、英國(guó)自然環(huán)境研究理事會(huì)的共同資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59038-0.
（審稿 陳華文）
鄂公網(wǎng)安備 42011102004169號(hào)
