约3.9亿年前，远古森林可能为深海提供了氧气增量，从而为有颌鱼类及大型海洋生物创造了进化契机。新的同位素证据表明，这次永久性增氧事件标志着地球历史的转折点——同时也表明当今海洋氧气平衡仍具有高度脆弱性。
氧含量的上升与有颌鱼类的显著多样化时期相吻合——这些鱼类是现今大多数脊椎动物的祖先。该发现表明，氧气水平可能塑造了史前物种的演化模式。
"众所周知氧气是动物演化的必要条件，但其作为充分条件能否解释动物多样化趋势一直难以确定，"共同第一作者、杜克大学尼古拉斯环境学院地球与气候科学助理教授迈克尔·基普表示。"这项研究有力地证明了氧气决定了早期动物演化的时间节点，至少对于有颌脊椎动物在深海栖息地的出现而言。"
研究人员曾认为深海氧化作用仅发生在古生代初期（约5.4亿年前）。但近期研究表明氧化作用呈阶段性发生：近岸水域首先变得适宜需氧生物生存，随后深层环境逐步氧化。
基普团队通过研究深海环境下形成的沉积岩确定了这些阶段的时间节点。他们特别分析了岩石中的硒元素——该元素可用于判定古海洋是否存在维持生命所需的氧气水平。
在海洋环境中，硒以不同重量同位素形态存在。当氧气浓度足以维持动物生存时，重硒同位素与轻硒同位素的比值波动显著；而在无法维持大多数动物生存的低氧环境中，该比值保持相对稳定。通过测定海洋沉积物中的硒同位素比值，研究者可推断氧气水平是否足以支撑水下呼吸动物生存。
研究团队联合全球多个科研机构，收集了97个距今2.52亿至5.41亿年的岩石样本。这些样本发掘自五大洲的陆架外缘区域——即数亿年前大陆在水下延伸的边缘地带，紧邻陡峭的海底断崖。
经过粉碎岩石、溶解粉末、提纯硒元素等系列步骤后，团队测定了每个样本的硒同位素比值。
数据显示外陆架深水区发生过两次氧化事件：第一次是约5.4亿年前寒武纪的短暂阶段；第二次始于3.93亿至3.82亿年前的中泥盆世并持续至今。其间数千万年深海氧含量曾降至不适宜多数动物生存的水平。该成果于八月发表在《美国国家科学院院刊》。
"硒同位素数据表明第二次氧化是永久性的。它始于中泥盆世，并在我们采集的年轻岩石样本中持续存在，"共同第一作者、华盛顿大学博士生坤玛尼·"麦克"·布普玛尼指出。
这次事件与海洋演化和生态系统的多重变革同步——即学界所称"古生代中期海洋革命"。化石记录显示，随着深海环境永久性富氧化，有颌鱼类（gnathostomes）等动物开始入侵这些栖息地并多样化发展。动物体型亦显著增大，可能得益于氧气对生长的支撑作用。
中泥盆世氧化事件还与木质茎干植物的扩张时期重叠。
"我们认为木质植物数量的增加释放了更多氧气到大气中，继而导致深海环境氧气含量上升，"基普解释道。他启动此项研究时正在华盛顿大学攻读博士学位。
寒武纪首次短暂氧化事件的成因则更为扑朔迷离。
"可以确定的是，首次脉冲式增氧后的氧气下降阻碍了海洋动物向外陆架深水环境的扩散与多样化进程，"基普强调。
虽然团队聚焦于古海洋环境，但其发现具有现实意义。
"现今多数海域氧气含量与大气保持平衡。但局部海域含氧量可能降至检测限以下：部分源于自然过程，更多情况则是因工农业肥料流入海洋引发藻华暴发，藻类衰亡时消耗大量氧气所致。"
"这项工作清晰揭示了海洋中氧气与动物生命的关联。这个平衡建立于约4亿年前，若在短短数十年间将其破坏将是巨大的遗憾。"
经费来源：MAK获美国国家科学基金会研究生研究奖学金及阿古龙研究所博士后奖学金支持。补充资助由美国宇航局天体生物学研究所虚拟行星实验室提供。