摘要
海洋动物的早期进化和大部分灭绝历史被认为是由溶解氧浓度的变化所驱动的2)在海里1，2，3.．反过来，[O2]被普遍认为是由大气氧的地质历史(pO2）4，5．相比之下，在这里，我们通过一系列地球系统模型实验，展示了显生宙期间大陆的重排如何推动海洋氧合的深刻变化，并在时间上诱导上层海洋和底栖[O2］．我们进一步确定了全球海洋环流中状态转换的存在，这导致了显生宙早期甚至在现代之下广泛的深海缺氧pO2．我们发现，海洋氧作用在稳定的千年(kyr)周期内振荡，这也提供了一种因果机制，可能解释了古生代早期后生动物辐射和灭绝速率的升高6．在我们的模拟中，全球气候和海洋通风之间缺乏任何简单的相关性，海洋氧合的发生与大气无关的深刻变化pO2，对海洋氧化还原代理的解释提出了挑战，但也指出了迄今为止尚未认识到的大陆配置在生物圈演化中的作用。
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代码的可用性
本文中使用的cGENIE代码的版本被标记为v0.9.31发行版，可在以下地址获得https://doi.org/10.5281/zenodo.6823664．必要的边界条件文件是代码发布的一部分。本文中给出的具体实验的配置文件可以在安装子目录:genie-userconfigs/PUBS/published/Pohl_et_al.2022中找到。实验的细节，以及运行每个实验所需的命令行，在固定文件。手册描述代码安装，基本模型配置和广泛的系列教程提供(https://doi.org/10.5281/zenodo.5500696)．FOAM输出托管在Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.5780096)．
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确认
我们感谢J. Mossinger的编辑处理。该项目已获得欧盟“地平线2020”研究与创新计划的资助，根据Marie skodowska - curie资助协议no。838373.部分计算使用了DNUM CCUB ('Université de Bourgogne计算中心)的HPC资源。A.R.感谢NSF拨款1736771和EAR-2121165，以及hesing - simons基金会的支持。这是对联合国教科文组织IGCP 735项目“岩石和奥陶纪生命的兴起(岩石和ROL)”的贡献。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
A.P.和A.R.设计了这项研究，并根据所有合著者的意见撰写了手稿。A.P.和A.R.进行了FOAM和cGENIE实验。a.p.， A.R.和A.K.领导了对模型结果的分析。C.R.S.进行了大陆重建。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢Tais Dahl, Shuhai Xiao, Sabin Zahirovic和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告是可用的。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图1现代海底[O2]使用cGENIE模型。
结果显示了不同的(现代)大陆网格，边界条件和生物地球化学循环参数化假设。投影为等面积矩形，颜色比例选择与图中近似匹配。2．一个， [O2为此，我们重新编制了2018年世界海洋地图集(参考文献)。56)数据到现代大陆网格参考。47并在模型最深的格点处显示氧浓度。显而易见的是北大西洋高含氧水的产生和向南传播(通过北大西洋深水(NADW))，以及南极洲周围含氧深水的产生和混合。b底栖[O2为参考文献的“标准”现代海洋环流的分布。47运行在278 ppm CO2，加上简化的生物出口方案。底栖生物[O2]都能合理地再现，除了南大洋周围的氧气混合过弱，这本身是由模拟的南极环极流(ACC)较弱造成的，而且在这个分辨率下难以充分地再现德雷克通道。与北太平洋的观测值相比略微过低是这一现象的进一步后果。c，替代文献简化生物出口方案的试验。47显式生态系统模型在显生宙系列模拟中使用(但仍在278 ppm CO2)．生态模型模拟的输出量略大，减少了底栖生物[O2]约10-20 μ mol kg−1同时保持大范围的模式基本不变。d，显生宙模拟中0 Ma深海氧合作用(见图;2,0 Ma)运行在2240 ppm CO2．没有通量调整应用于简化cGENIE 2D EMBM大气(见参考文献。57)，几乎没有NADW，这就解释了大西洋相对较差和从南到北的氧合。印度洋的含氧量也很低，尽管太平洋的情况大致相同。造成这种模型数据不匹配的主要原因有几个。首先，直接从相对粗糙的分辨率GCM (FOAM)重新网格化，创建一个高度受限和浅的德雷克通道(扩展数据图)。7一个， 0 Ma)，排除了强ACC的形成。更有针对性的是显生宙模拟系列(图。2)都以2240 ppm的浓度运行。由此产生的比现代海洋温暖得多的海洋与没有任何海冰的形成和较低的海水氧溶解度有关，这可能至少解释了一些空间格局和大部分较低的全球平均[O2扩展数据图8， 0 Ma)。就通风和水质量的理想平均年龄(未显示)而言，缺乏大西洋MOC的大西洋太老了，而印度洋和太平洋类似于ref的逆模型。58尽管德雷克通道存在上述问题，而且0 Ma模拟是在2240 ppm CO下运行的2．
扩展数据图2选定的氧化还原代理数据与相应的模型氧化实现。
模拟的底栖氧浓度为2240 ppm CO2(系列# 1)。埃克特IV投影。出现的大陆块体为白色阴影。结果是过去5000年的平均值。黑色(白色)点表示缺氧(缺氧)条件，灰色点表示可能或间歇性缺氧，参考后为100 Ma。28，为120 Ma后参考。27，参考后为180 Ma。30.， 260 Ma后参考。26，为380和500 Ma后参考。59参考后为440 Ma。60．这些时间切片被选择来代表显生宙中有规律间隔的时期，以oae为代表。最后100亿年被故意省略了，因为(1)在这段时间间隔内，海洋总体上氧合良好，(2)我们恒定的边界条件(故意选择将构造作用与气候隔离开来，见正文)没有(实际上也不打算)重现整个新生代(特别是从始新世早期气候最佳期(约50 Ma)起)的明显冷却趋势，排除了直接的模式数据比较。
扩展数据图3 co2浓度为2240 ppm时模拟的深海环流2(系列# 1)。
一个，经向翻转流函数，in Sv (sverdrup, 1 Sv = 106米3.年代−1)．负(蓝色)流函数对应于逆时针循环。b，跨水柱对流调整的年分布。出现的大陆块体为白色阴影。埃克特IV投影。结果是过去5000年的平均值。
扩展数据图4底栖生物[O2对大陆重建的贡献。
模拟的底栖氧浓度为2240 ppm CO2(如系列#1)在440 Ma (一个)及460毫安(b)，使用BugPlates的大陆重建31，参考后的地形/水深测量。61．埃克特IV投影。出现的大陆块体为白色阴影。结果是过去5000年的平均值。面板一个而且b与图中的440 Ma和460 Ma面板相同。2除了使用另一种大陆重建进行的模拟。请注意，虽然我们用SO模拟了cGENIE中的硫酸盐还原42−一旦O溶解，就被用作海洋内部有机物再矿化的电子受体2已消耗殆尽(见参考文献。48)，小的负O2当几个地球化学反应同时争夺同一个贫氧池时，浓度就会上升。然而，由于硫酸盐还原产物硫化氢(H2S) -在自由氧存在下具有快速氧化动力学，H2S从缺氧到缺氧区域密切反映了“负氧”的运输和命运(见参考文献。62)，整个氧化还原景观在很大程度上独立于这种小规模的模拟氧气过度消耗。
扩展数据图6底栖生物[O2到深海测深。
模拟的底栖氧浓度为2240 ppm CO2(如#1)，但没有洋中脊(见扩展数据图)。7)．结果是过去5000年的平均值。出现的大陆块体为白色阴影。埃克特IV投影。
扩展数据图8底栖生物[O2］．
一个，在2240 ppm CO下的模拟2与温度相关的再矿化(系列1)。b，我们变化的模拟p有限公司2对古地理对气候的影响进行近似“正确”(系列#2)。
扩展数据图9底栖生物[O2]到大气强迫(p有限公司2)．
模拟1120 ppm CO时的底栖氧浓度2与温度相关的再成矿作用和洋中脊。出现的大陆块体为白色阴影。结果是过去5000年的平均值。埃克特IV投影。
扩展数据图10 cGENIE模式中的海洋环流模式。
一个，底栖生物[O2]在不同大气CO下模拟的数值2使用Drake world的关卡(蓝色部分，见面板中的地图)b)和山脊世界(黑色)(方法)．德雷克世界模拟的稳定平衡体系和稳定振荡体系分别用蓝色和红色背景进行编号和标记。b，经向翻转流函数在Sv (sverdrup, 1 Sv = 106米3.年代−1)和各稳定平衡的底栖通气年龄图，以及各稳定振荡状态的两个极端状态图一个，使用相同的编号和颜色编码。兰伯特等面积圆柱投影。负(蓝色)流函数对应于逆时针循环。c，与Pohl等人最新的奥陶系模拟进行初步比较。21．结果显示在6720 ppm和2380 ppm的CO2，对应ref中场景#1的暖态和冷态。21．
补充信息
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引用本文
波尔，A，里奇韦尔，A，斯托基，R.G.et al。显生宙大陆构型控制着海洋氧合作用。自然608， 523-527(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05018-z
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