宜居地球在早期发展过程中经历过哪些复杂的系统变化，对当时的海洋生命产生何种影响？

可自由获取的氧气，作为绝大多数真核生物的生活必需品，在久远的地质历史时期曾经历3次重要的增长。在地质学上，这3次变化被称为“氧化事件”，分别包括距今约27~25亿年前的“大氧化事件”（Great Oxidation Event, GOE）、距今约6亿年前的“新元古代氧化事件”（Neoproterozic Oxidation Event, NOE）和距今约4亿年前的“古生代氧化事件”（Phanerozoic Oxidation Event, POE）。从变化幅度来看，GOE实现大气氧气含量从< 0.01% PAL到0.1% PAL（PAL, present atmospheric level指现代大气水平）的飞跃，NOE见证大气氧含量1% PAL到10% PAL的提升，而POE主要指大气氧含量真正达到并且维持在现代水平。

每一阶段的大气氧化事件，均伴随着地球生态系统的重要变化——GOE和早期单细胞细菌（如蓝藻）的光合作用有关，NOE和早期动物的出现及爆发有关，而POE则和陆地植物生态系统的扩张有关。早古生代（5.4亿年~4.2亿年），作为一个重要的过渡期，不仅见证NOE和POE之间大气氧气含量的阶段性上升和二氧化碳含量的持续性下降，还记录着海洋生态系统的全面建立和复杂化以及陆地植物系统的崛起以及其他地球系统变化（图1），因此可被称为“宜居地球”的青少年期。

图1 早古生代的年代地层框架及地球系统变化（参考Zhang et al., 2021）

早古生代自“寒武纪生命大爆发”起，海洋动物的快速发展和繁盛为这个蔚蓝星球增添许多生机。然而，有发展就必然有危机。寒武纪，大气二氧化碳含量据估计超过20 PAL，导致地球经历漫长的温室气候期。这种气候条件下的海洋，水体循环速率远低于现代海洋，水体分层现象严重。同时，湿热气候下，陆地风化作用的加剧导致大量陆源营养盐输入海洋，表层海水出现广泛的富营养化现象。从海水表层沉降的有机质在氧化分解的过程中会大量消耗氧气，导致海洋缺氧现象频发。因此，这也成为生物多样性在中-晚寒武世出现下降的诱因。

进入奥陶纪，陆地造山运动和火山喷发后的基岩风化导致二氧化碳被长期消耗，气候出现长期变冷，表层海水温度从40 ℃下降到现代海洋的适宜温度区间（30~25 ℃），被认为是奥陶纪生物大辐射的主因。同时，由于早期低等植物登陆，陆地风化作用加剧，营养盐的进一步富集致使海洋中大量有机碳得以埋藏，从而导致大气二氧化碳浓度进一步下降，地球在奥陶纪末出现显生宙以来第一次被广泛记录的冰期。

在冰室气候和海洋缺氧现象的双重影响下，海洋迎来第一次重大的生态危机，引起海洋生物的集群灭绝。频发的火山活动，持续喷出二氧化碳，最终中止冰期，并在志留纪早期造成短暂的温室气候期。伴随而来的海洋缺氧现象，限制着海洋生态系统的复苏。随着陆生植物（尤其是根系发育的植物）的进一步扩张，大气氧气含量逐渐上升到现代水平，大气二氧化碳含量长期下降，在志留纪-泥盆纪期间，造成多期次的气候变冷。而与之同步的是，海洋和陆地都逐渐孕育勃勃生机。

因此，作为“宜居地球”的青少年期，早古生代成为地质历史时期生物与环境协同演化研究的重要时期，同时也为我们“保护环境，人与自然和谐相处”提供宝贵的参考与借鉴。毕竟，在这一系列的地球系统变化中，大气-陆地-海洋系统始终围绕着“碳循环”这个关键词。以史为鉴，可知自然之兴替。在国家大力推行“双碳”战略的今天，我们有必要更深入地去探究“宜居地球”的过去和那时的“碳”。

相关原文

张俊鹏, 李超, 张元动. 早古生代海洋缺氧事件的地质记录与背景机制. 科学通报, 2022, 67(15): 1644-1659,  https://doi.org/10.1360/TB-2021-0535

Zhang JP, Edwards CT, Diamond CW, Lyons TW, Zhang YD. Marine oxygenation, deoxygenation, and life during the Early Paleozoic: An overview. Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoecol, 2021, 584: 110715.