李超教授。受訪者供圖    

李超（右）正在指導(dǎo)王海洋（左）。受訪者供圖    

近日，成都理工大學(xué)教授李超團(tuán)隊(duì)關(guān)于地球大氣氧含量演化的研究成果發(fā)布于Nature（《自然》）。文章從投稿到被接收，僅用了半年時間。審稿人評價(jià)該研究“提供了迄今為止關(guān)于大氣氧含量演化的最佳指標(biāo)記錄。”“為當(dāng)前大氣氧化歷史的認(rèn)識樹立了‘新標(biāo)桿’。”

研究首次以直接、連續(xù)的地質(zhì)證據(jù)，揭示地球從無氧環(huán)境演進(jìn)為如今富氧狀態(tài)歷時20億年，且關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在4.1億年前，并創(chuàng)新性地提出：在短時間尺度上，大氣與海洋的氧含量存在“此消彼長”的競爭關(guān)系。

團(tuán)隊(duì)搜羅了上千塊跨越數(shù)億年歷史的古老巖石，從中“抽絲剝繭”，追蹤到有效線索，從而推出演化過程。

樹立“新標(biāo)桿”的過程并非坦途，起初顛覆性的設(shè)想還曾飽受爭議。李超感慨，成果的取得源于厚積薄發(fā)，依賴審慎的求證，以及求真的敏銳與挑戰(zhàn)的勇氣。

直面挑戰(zhàn)

旁人或許只關(guān)注研究迅速登上頂刊的光環(huán)，但只有當(dāng)事人清楚，其背后是整整7年的堅(jiān)持和求索。

采訪中，團(tuán)隊(duì)成員、成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院研究員王海洋談到了2018年的那個秋天。

當(dāng)時，他正準(zhǔn)備赴美國路易斯安那州立大學(xué)進(jìn)行為期一年的博士聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)習(xí)。李超鼓勵他借此次出國的機(jī)會“跳出舒適圈”，找到一個更具突破性的研究方向，做一些“能有真正價(jià)值的工作”。

經(jīng)過討論，他們的方向最終落在了地球科學(xué)中一個懸而未決的難題上：地球大氣氧含量的升起與演化。人類賴以生存的氧氣，究竟是如何從無到有，并逐漸達(dá)到現(xiàn)今占大氣21%的水平？這一重大轉(zhuǎn)變發(fā)生在什么時候？又經(jīng)歷了怎樣的歷程？

李超認(rèn)為，破解這道難題，不僅關(guān)乎對過去的認(rèn)知，更直接影響人類對當(dāng)前地球環(huán)境變化的理解。

以往對此的研究方法大多依賴于間接指標(biāo)?？茖W(xué)家通過分析海洋沉積巖來反推地質(zhì)歷史時期海洋的氧化狀態(tài)，進(jìn)而間接推測大氣氧水平。但這類記錄經(jīng)歷了漫長且復(fù)雜的地球化學(xué)改造，像一部被反復(fù)謄抄的古籍，難免丟失了很多原始信息，難以追溯。

李超不禁思考，有沒有可能找到一種更直接、更定量的方法，重建遠(yuǎn)古時期的大氣氧含量？是否可以捕捉到來自大氣本身且被地質(zhì)載體直接記錄下來的信號？

一項(xiàng)由路易斯安那州立大學(xué)教授鮑惠銘（現(xiàn)任職于南京大學(xué)）團(tuán)隊(duì)開展的研究，為追溯遠(yuǎn)古大氣“配方”帶來啟示。鮑慧銘團(tuán)隊(duì)通過提取、測量并計(jì)算石膏、重晶石等礦物中硫酸鹽的氧-17負(fù)異常強(qiáng)度，來反演地質(zhì)歷史時期大氣二氧化碳濃度。

“該方法是否也可以來反演古大氣氧含量？”李超提出了這個設(shè)想。他意識到，這種信號有望成為揭示古大氣氧含量的直接指標(biāo)。

李超當(dāng)即決定，與路易斯安那州立大學(xué)聯(lián)系，希望王海洋能到鮑惠銘的實(shí)驗(yàn)室，系統(tǒng)學(xué)習(xí)并進(jìn)行硫酸鹽氧-17同位素的分析。

不被看好的研究

前人認(rèn)為，大氣氧分子中獨(dú)特的氧-17負(fù)異常信號，能夠通過氧化陸地上的黃鐵礦，轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，并隨河流進(jìn)入海洋。然而，這些硫酸鹽匯入浩瀚大海，在與海水中的氧原子發(fā)生交換時，其攜帶的氧-17負(fù)異常信號很快就會被徹底“抹掉”。

但李超堅(jiān)信，在漫長的地質(zhì)時間尺度上，廣闊的古海洋中，總會有一些地點(diǎn)在持續(xù)地、有效地“錄制”著當(dāng)時的大氣信息。

僅有大膽假設(shè)還不夠。在路易斯安那州立大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，王海洋開啟了“小心求證”之路。

王海洋從巖石中彌散狀重晶石入手。重晶石是硫酸根離子構(gòu)成的礦物，前人利用它已在研究古代硫循環(huán)和海洋化學(xué)方面取得成果，摸索出了成熟、可靠的實(shí)驗(yàn)方法。

可實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不如意。王海洋和李超意識到，彌散狀重晶石的成因環(huán)境復(fù)雜，未必能夠記錄到大氣氧的這些特殊信號。

于是，王海洋的研究對象轉(zhuǎn)向了李超提出的沉積碳酸鹽晶格“捕獲”的硫酸鹽，即“碳酸鹽結(jié)合態(tài)硫酸鹽”。

實(shí)驗(yàn)開展時，恰好碰上新冠疫情暴發(fā)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，單一密閉空間最多允許1至2人戴口罩活動。王海洋硬著頭皮打申請，爭取到了每天進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的機(jī)會。

但重晶石測試已耗費(fèi)了他半年的時間，結(jié)束訪問學(xué)習(xí)的日子眼看進(jìn)入了倒計(jì)時。雪上加霜的是，關(guān)鍵碳酸鹽礦物樣品短缺。

好在王海洋得到了國內(nèi)同門的大力幫助。一批采集自華南地區(qū)，可滿足實(shí)驗(yàn)需求的巖石樣本從武漢寄出。在全球物流幾近停擺的情況下，一個方便面箱大小、裝滿石頭的包裹漂洋過海。

盡管初期測試屢屢受挫，但懷著“至少做完所有的樣品”的念頭，王海洋堅(jiān)持了下來。數(shù)月后，當(dāng)關(guān)鍵樣品的氧-17同位素?cái)?shù)據(jù)陸續(xù)展示出清晰的氧-17負(fù)異常信號，并呈現(xiàn)于電腦屏幕上時，王海洋心中百感交集。

億年前的氧分子終于“開口說話”。

歲月失語 惟石能言

但這只是一個開端，研究團(tuán)隊(duì)需進(jìn)一步證明這一發(fā)現(xiàn)的普遍性。

“大氣具有全球性。”李超解釋，土壤與地貌會因地域不同而呈現(xiàn)巨大差異，但大氣成分在全球范圍內(nèi)卻是基本一致。“既然6億年前華南的巖石能捕捉到這一氧氣信號，那么在同期或不同期，地質(zhì)背景相似的其他地區(qū)的巖石中，理應(yīng)也能找到類似的記錄。”

于是，他們陸續(xù)在數(shù)年里收集了千余份樣品。其中，有的來自中國東南西北各地，有的則借由國際合作，來自澳大利亞、美國與英國同行的儲備庫。還有部分國內(nèi)樣品是團(tuán)隊(duì)成員野外采集的成果。每年6月到8月，正值酷暑之時，他們都會深入山區(qū)或無人區(qū)考察采樣，從破曉直至暮色，往往一待就是一天。

對全球多地跨時代樣品的分析，為研究提供了更為可信的數(shù)據(jù)支撐。與多硫同位素等指標(biāo)進(jìn)行融合分析后，團(tuán)隊(duì)解讀了巖石中所記錄的直接的大氣氧信號，從而首次構(gòu)建出一個覆蓋40億年的地球氧化史完整框架。

李超介紹，過去，研究者依賴稀有的蒸發(fā)巖，只能得到歷史上地球大氣“配方”幾張零星的“快照”，雖然清晰，卻無法連貫。而現(xiàn)在，利用廣泛分布的碳酸鹽巖，研究者首次獲得了一套連續(xù)、高精度的“地質(zhì)膠片”，從而有能力繪制出地球氧含量演化的“電影”。

在這部“電影”中，團(tuán)隊(duì)精準(zhǔn)揭示出從24億年至4.1億年前，地球表層長達(dá)20億年的過渡性氧化歷程。一個重要發(fā)現(xiàn)是，在百萬年時間尺度上，大氣和海洋的氧含量存在著“此消彼長”的競爭關(guān)系。

“就像在糧食有限時，家里老大吃飽，老二就要挨餓。”李超說道，當(dāng)?shù)厍蛞驑?gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致大量新巖石暴露時，強(qiáng)烈的風(fēng)化作用會急劇消耗大氣中的氧氣，并將這些氧匯入大海。所以海洋變得氧化了，但大氣中的氧氣含量卻下降了。

但從數(shù)億年時間尺度上看，老大老二的“生活水平”都在共同提升。那地球是何時成功“脫貧”，步入氧氣“小康”社會，讓老大老二都“吃飽”的呢？

李超介紹，依據(jù)碳酸鹽結(jié)合態(tài)硫酸鹽氧-17異常記錄，團(tuán)隊(duì)首次明確，地球大氣氧含量在4.1億年前持久性地達(dá)到現(xiàn)代水平，即攀升至接近21%。富氧環(huán)境的形成，也促進(jìn)了地球復(fù)雜生命的繁育。

做有挑戰(zhàn)的科學(xué)

在破解“大氣與海洋氧氣此消彼長”這一謎題的過程中，李超團(tuán)隊(duì)意外發(fā)現(xiàn)，早期地球的海洋中可能存在著一個巨量的溶解有機(jī)碳庫。這一偶然的發(fā)現(xiàn)，或許能為今天在深層、超深層地層中尋找油氣資源，提供全新的思路。

“我們也希望借此實(shí)現(xiàn)深層油氣資源勘查領(lǐng)域從‘0’到‘1’的突破。”李超說，在原始創(chuàng)新上做出突破，將基礎(chǔ)研究與國家在能源領(lǐng)域的重大需求真正結(jié)合起來，是他一直想走通的路。

1996年，李超踏入了沉積地球化學(xué)研究領(lǐng)域。2004年，他赴美從事博士后研究，切身感受過當(dāng)時國內(nèi)外在科研條件、整體實(shí)力方面的差距。

2011年，李超作為首批國家海外高層次青年人才回國發(fā)展，也經(jīng)歷了一段“水土不服”的適應(yīng)期。真正的轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在2018年前后。隨著“國家杰出青年科學(xué)基金”的獲批，他不僅獲得了經(jīng)費(fèi)支持，更獲得了更多的自由度：可以更加心無旁騖地挑戰(zhàn)那些不確定性極強(qiáng)卻意義深遠(yuǎn)的科學(xué)問題。

與此同時，他的團(tuán)隊(duì)也逐步步入良性循環(huán)。扎實(shí)的成果帶來新的項(xiàng)目，持續(xù)的研究催生新的發(fā)現(xiàn)，不斷拓展的科學(xué)邊界又吸引了更多國際合作。

李超感受到，在自己的研究領(lǐng)域，中國團(tuán)隊(duì)的科研角色，悄然完成了從“跟跑”到“并跑”，再到部分領(lǐng)域“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變。

“和20年前相比，情況倒了個轉(zhuǎn)。”李超感慨道，“就像這次研究，是國際同行把樣品送給我們，由我們來主導(dǎo)完成。”

如今，已成為導(dǎo)師的他，格外重視為年輕人“撐一把傘”。他鼓勵學(xué)生尋找到自己特色的研究方向，成長為各自領(lǐng)域的“參天大樹”，而非擠在單一賽道中“內(nèi)卷”。當(dāng)被問及科研突破的實(shí)現(xiàn)究竟源于何處，李超的答案始終明確：一靠深厚的科學(xué)積累，二靠純粹的科學(xué)熱愛。

“科學(xué)的敏銳，既來自你對一個領(lǐng)域深刻的理解，也來自你內(nèi)心深處那份熱愛。”他說道，“只有兩者結(jié)合，你才能精準(zhǔn)找到那個‘卡脖子’的問題，并擁有一定要解決它的動力。”