板塊構(gòu)造理論、生物演化理論等新理論的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了地球科學(xué)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。當(dāng)前地球系統(tǒng)科學(xué)的快速發(fā)展給中國(guó)科學(xué)家提供了難得的機(jī)遇，一大核心在于我們能否解決地球系統(tǒng)的跨越圈層整合、貫穿古今融合這些根本性難題。謝樹(shù)成等人提出地質(zhì)事件的變化速率（變率）是打通時(shí)間隧道進(jìn)行古今融合的一大關(guān)鍵抓手。

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當(dāng)今地球系統(tǒng)變化極快，碳變率或成生物危機(jī)推手

當(dāng)今地球系統(tǒng)變化的一個(gè)很重要特征是速度非常快，也就是事件的變率大。一場(chǎng)因CO2等環(huán)境變化所引發(fā)的生物危機(jī)正向人類(lèi)走來(lái)，而促發(fā)這場(chǎng)危機(jī)的關(guān)鍵是環(huán)境變率。但由于已有觀測(cè)數(shù)據(jù)資料的時(shí)間序列很短，人們很難預(yù)測(cè)碳變率引發(fā)的地球系統(tǒng)這些快速變化到底是一個(gè)長(zhǎng)期趨勢(shì)還是短期的擾動(dòng)，也不清楚碳變率不斷升高最終會(huì)對(duì)生物多樣性造成怎樣的影響。

要回答當(dāng)今與碳變率有關(guān)的這些挑戰(zhàn)性難題，必須回到深時(shí)記錄里尋找答案，因?yàn)樯顣r(shí)記錄保存了各種變率場(chǎng)景下碳和生物的關(guān)系。然而，過(guò)去人們對(duì)深時(shí)碳和生物事件的研究更多的是變幅，而不是變率。

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突破深時(shí)變率研究，需跨學(xué)科技術(shù)融合攻堅(jiān)

要突破碳和生物事件的深時(shí)變率，需要多方面技術(shù)的融合創(chuàng)新（圖1）。

• 首先需要利用多學(xué)科交叉技術(shù)攻克深時(shí)的高精度和高分辨率的地質(zhì)時(shí)間框架，因?yàn)榻锒鄻有浴⑷颦h(huán)境變化的分辨率一般在千年級(jí)水平以上，而深時(shí)研究的時(shí)間精度通常在百萬(wàn)年級(jí)以下。

• 其次，要定量評(píng)估深時(shí)環(huán)境變率與生物多樣性演化速率之間是否存在因果關(guān)系，建立可靠的環(huán)境代用指標(biāo)、構(gòu)建適合深時(shí)研究的數(shù)值模型是關(guān)鍵。

圖1 突破深時(shí)變率的技術(shù)方法體系

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聚焦兩大關(guān)鍵轉(zhuǎn)折期：同樣的變暖，為何結(jié)局截然不同？

解決碳和生物的深時(shí)變率需要聚焦在元古宙和顯生宙之交、古生代和中生代之交這些關(guān)鍵轉(zhuǎn)折期（圖2）。這兩大時(shí)期同樣都經(jīng)歷了變暖過(guò)程，但卻出現(xiàn)了截然不同的生物演化現(xiàn)象：一個(gè)以大滅絕為特征，一個(gè)以大爆發(fā)為特征。

生物的一個(gè)很重要特征是具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力和生態(tài)緩沖能力。只有當(dāng)環(huán)境的變率超過(guò)生態(tài)系統(tǒng)承受的臨界點(diǎn)時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致生物危機(jī)，也就是說(shuō)事件的變率是理解生物與環(huán)境之間因果關(guān)系的一大關(guān)鍵所在，因而需要實(shí)現(xiàn)深時(shí)事件研究在變幅和變率上的雙突破。

圖2 突破深時(shí)變率的關(guān)鍵地質(zhì)時(shí)期。溫度和生物曲線分別據(jù)Scotese et al. (2021)和Sepkoski (2002)

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邁向雙突破：深時(shí)研究正迎來(lái)從“變幅”到“變率”的新范式

從幅度到速率，從現(xiàn)象到機(jī)制——解開(kāi)碳變率與生物演化的深時(shí)謎題，不僅有助于預(yù)測(cè)未來(lái)，更可能推動(dòng)地球系統(tǒng)科學(xué)形成新的認(rèn)知范式。中國(guó)科學(xué)家能否在這一跨越億年的“速率競(jìng)賽”中取得關(guān)鍵突破？我們拭目以待。

原文信息

謝樹(shù)成, 沈樹(shù)忠, 李獻(xiàn)華, 宋海軍, 張飛飛. 碳和生物的深時(shí)變率: 挑戰(zhàn)與進(jìn)展. 科學(xué)通報(bào), 2026, 71(5-6): 1230–1239

Xie S, Shen S, Li X, Song H J, Zhang F F. Variation rates of carbon- and biota-related events in deep time: challenges and progress (in Chinese). Chin Sci Bull, 2026, 71(5-6): 1230–1239, doi: 10.1360/CSB-2025-5228

https://doi.org/10.1360/CSB-2025-5228

演化：微生物如何塑造地球

謝樹(shù)成 等 著

ISBN 978-7-03-084146-9

出版時(shí)間：2026.03

烴源巖地球生物學(xué)

謝樹(shù)成 等 著

ISBN 978-7-03-045837-7

出版時(shí)間：2016.01

（本文編輯：劉四旦）

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