氧气是多数生命体生存不可或缺的“营养品”。地球生命的起源和演化与氧气含量变化密切的联系。特别是地球早期，海水中的溶解氧含量变化大，溶解氧含量成为影响海洋生物生存的主要因素。例如，新元古代-早古生代的几次生物大爆发与灭绝事件，都被认为与海水溶解氧含量的变化有关。

       过去几十年，关于古海洋氧化还原状态的重建开展了大量研究。与此同时，模拟工作也在同步进行假说或机制检验。目前的主要观点是，古海洋氧化还原状态可以用来指示大气氧气含量变化，即海洋与大气氧气含量存在相关性。然而，这些基于记录的假说或模拟研究，在建立海洋溶解氧含量与大气氧气含量联系时，都认为两者相关性固定，并未考虑海洋环流变化的影响。

       板块运动可以改变海陆分布格局，影响海洋环流。最近，来自加州大学河滨分校的Alexandre Pohl博士及其合作者，利用地球系统模拟，发现板块运动可以控制海水溶解氧含量的变化。相关成果发表在最近的《Nature》杂志上。

       研究利用中等复杂程度的地球系统模式cGENIE，模拟了显生宙28个时间片段的海洋溶解氧含量。模拟实验考虑了海洋生态结构变化和生物代谢速率变化的影响。对于其他边界条件，各个时段除古地理格局不同外，其他参数如太阳亮度、大气氧气含量、海洋营养元素收支等都固定不变。在第一套模拟实验中，大气二氧化碳含量也固定不变。因此，模拟结果更为强调海陆分布格局的影响。

       首先，研究对比了当今海底溶解氧含量分布与模拟结果，发现模拟实验可以整体再现溶解氧的分布情况（图1）。因此，模拟结果的趋势性是可靠的。

图1. 当今海底溶解氧含量观测结果与模拟结果对比

       确定模拟结果的可靠性后，研究讨论了显生宙海洋溶解氧含量的变化。结果中：1. 表层海水溶解氧含量与表层海水温度反相关（图2b）。这主要是温度对氧气溶解度的影响。2. 次表层海水溶解氧含量变化比表层海水更显著，同时还有与表层海水温度无关的变化信号（图2c）。这主要是输出生产力传输过程再矿化的影响，可能体现了海陆分布格局变化后环流调整，营养盐向表层再分配的变化。3. 深层海水溶解氧含量与深水居留时间反相关（图2d），与表层海水温度无关。说明主要是古地理边界条件变化，通过海洋环流调整控制了深水溶解氧含量。古生代早期（541-460 Ma），深水溶解氧含量持续处于较低水平，460-440 Ma为逐渐升高，440 Ma后整体处于较高状态（图2d和图3）。

图2. 不同深度海水溶解氧含量变化（当pCO₂固定时）及其与潜在相关因素变化对比

图3. 模拟显生宙深水溶解氧含量变化（当pCO₂固定时）

       为进一步研究深水溶解氧含量变化的原因，第二套模拟实验中固定了表层SST及溶解氧含量，用pCO₂进行气候去趋势，消除气候变化和温度对溶解氧含量的影响。结果显示，深水溶解氧含量仍然表现相似的变化（图4）。这说明古生代早期深水缺氧与表层无关，而是与深水环流有关，前后的变化指示不同背景下存在大规模环流的调整。

图4. 不同深度海水溶解氧含量变化及其与潜在相关因素变化对比

       模拟结果中，次表层与深层溶解氧含量脱耦，指示显生宙大气氧气含量与次表层、深水溶解氧含量之间不存在相关关系。因此，之前重建的古海洋深水氧化还原状态并不能指示大气氧气含量的变化。即古生代早期深水溶解氧含量低，并不能指示大气氧气含量也低。

       综上，研究模拟了显生宙以来28个时间片段海洋溶解氧含量变化，发现表层与深层海水溶解氧含量变化脱耦。深水溶解氧含量与大气氧气含量无关，而是与板块运动导致海陆格局变化及相应的洋流调整有关。

       原文信息：Pohl, A., Ridgwell, A., Stockey, R.G. et al. Continental configuration controls ocean oxygenation during the Phanerozoic. Nature 608, 523–527 (2022).