地大新聞網訊 （記者 孫彥欽）近日，中國地質大學（武漢）地質微生物與環境全國重點實驗室陳中強教授團隊，在國際著名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）在線發表題為《地球系統的不穩定態放大了二疊紀末大滅絕后生物地球化學循環的震蕩》（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；陳中強教授為唯一通訊作者；埃克塞特大學蒂姆·倫頓( Tim Lenton) 教授，斯圖爾特·戴恩斯（Stuart Daines）教授與南京大學張飛飛教授參與了本項研究工作。
這項研究在傳統生物地球化學模型的基礎上加入了非線性分析模塊，開發出新的“自持振蕩”（self-sustaining oscillation）模型，模擬二疊紀末大滅絕及其后持續約600萬年的溫室、碳循環和海洋氧化還原環境波動的內在聯系和驅動機制。結果表明發生在早三疊世溫室時期一系列生物地球化學劇烈波動，是大滅絕時地球系統遭受嚴重破壞后出現的內部連鎖反應，是表生地球系統的“不穩定系統性行為”，不受更多外部驅動力的疊加或反復出現。
顯生宙以來，地球生命遭受至少五次大滅絕的洗禮，其中，發生在2.52 億年前二疊紀末大滅絕為最慘烈，導致生物多樣性劇減，并伴隨多種環境因子的劇烈波動。后者一直延續到大滅絕后600萬年（圖1），其誘因和驅動機制長期懸而未決。
圖1.二疊紀大滅絕后顯著的生物地球化學循環波動與延遲的生物復蘇，圖為由同位素地球化學指標（比如無機碳同位素、牙形石氧同位素，碳酸鹽巖鈾同位素等）表達的多種環境因子出現長達600萬年劇烈震蕩時期。
近半個多世紀以來，全球學者對此次事件的關注從未減弱，提出了諸多假設來解釋期間發生的多種極端生態環境現象。2002年，美國學者鮑勃·伯納（Bob Berner）首次利用生物地球化學模型模擬此次重大氣候—環境—生態轉折事件，他的主要結論和有預見性的推測在之后的二十年里不斷地被科學家們反復驗證。不過，受限于模型框架或數值求解手段的限制，前人完成的數值模擬都強調了“驅動與響應（forced-respond）”的觀點，即磷—碳—氧（P-O-C）循環的波動需要多期次外部動力驅動。比如，利用輕碳輸入來擬合早三疊世地球化學指標的異常。具體來講，外部驅動力的強度直接控制了模型輸出的環境因子異常的幅度，即簡單的線性相關。但這種觀點忽略了復雜非線性過程在長時間尺度生物地球化學循環中所扮演的重要角色，以及大氣—海洋—陸地系統穩定性在這些過程中所起的重要作用。
因此，本文提出了“forced-stability-respond（驅動—穩定性—響應）”觀點。通俗地說，面對同樣的外部驅動力，不同穩定性的地球系統會有完全不同的響應；同樣穩定性的地球系統，在面對同類型的外部驅動力時，存在觸發波動的臨界閾值。為此，我們引入非線性動力學的概念與研究方法，在傳統的碳—氧—磷—硫—生物演化模型（COPSE 模型）基礎上，開發出新的“自持振蕩”模型，模擬早三疊世極端環境因子的劇烈波動過程，揭示地球系統中不同環境因子在面對同樣外部壓力時的不同響應（圖2）。
圖2.二疊紀大滅絕后環境波動與模擬結果的對比（時間序列模式）。
模擬結果顯示，在地球系統穩定性較高時，單一期次的外部驅動力的輸入無法模擬出與我們實際數據中觀測相一致的波動模式。不過，當地球系統穩定性較低時，輸入同樣的外部驅動力，擬合出環境因子周期性波動模式，與實際地質記錄展現的模式一致。
研究認為，二疊紀末大滅絕后多種環境因子的波動是地球系統遭受打擊后出現的周期性、系統性的響應行為，而不是多種類型、多期次的獨立環境事件。這與“打水漂”的動力模式類似，并且這些環境因子在大滅絕后至少打了三次“水漂”。
從生物地球化學循環視角來看，受海洋氧化還原狀態控制的磷埋藏過程主導了大氣—海洋—陸地系統的磷—碳—氧循環，隨著大滅絕時發生的西伯利亞大火成巖省火山噴發，陸地、海洋生態系統的快速崩潰導致磷—碳—氧循環穩定性發生巨變。地球系統從晚二疊世穩定磷—碳—氧循環，轉變為了早三疊世不穩定磷—碳—氧循環，并最終導致了劇烈波動（如圖1）。從數學角度來看，磷—碳—氧循環，即一個三維微分方程組的解，發生了本質上的改變（圖3），二疊紀時微分方程組的解是一個吸引子，二疊紀—三疊紀之交微分方程組的解轉變為一個排斥子，這個排斥子的雅各比矩陣（Jacobian）至少有一個為正的特征值。
圖3. 三疊紀早期磷-氧-碳循環波動（三維相圖分析）。a：二疊紀穩定系統，b-d：三疊紀穩定系統，e-g：三疊紀不穩定系統
值得注意的是，本研究開發的新模型是地球科學與非線性動力學學科交叉的產物，屬于中等復雜程度的地球系統模型，可以同時模擬3種因子的變化和內在聯系，也可用于模擬其他地史時期重大環境因子波動行為。該模型也是是蒂姆·倫頓( Tim Lenton) 教授提出的現代地球系統臨界閾值（tipping points）在二疊紀—三疊紀之交極端環境波動的應用。
上述研究得到了國家自然科學基金委、國家留學基金委、英國自然環境研究理事會的共同資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59038-0.
（審稿 陳華文）
鄂公網安備 42011102004169號
