寒武纪生命大爆发是生命演化史上最具里程碑意义的事件：短短数千万年间，现生动物门类的祖先分阶段依次涌现，矿化骨骼快速普及，以多细胞动物为核心的复杂海洋生态系统正式奠基。然而，驱动这场生命“快进”的气候与环境背景始终迷雾重重，其中大气二氧化碳（CO2）浓度更是长期悬而未决的关键谜题。CO2是调控全球气候的核心因子，深刻影响地表温度、海水酸碱度与大陆风化强度，但此前对这一时期的CO2浓度重建几乎完全依赖碳循环模型推演，不同方案结果分歧显著，始终缺乏直接地质证据的约束。

近期，西北大学早期生命与环境研究团队常超、张兴亮教授，联合美国、俄罗斯等国内外科学家组成的科研团队，依据化石有机碳同位素记录定量重建了寒武纪大爆发全过程中大气二氧化碳浓度和气候变化。研究团队采集了中国与俄罗斯境内8处经典化石生物群的宏体藻类化石，时间跨度覆盖埃迪卡拉纪晚期至寒武纪中期（距今约5.53亿—5.08亿年），完整贯穿寒武纪大爆发的全过程。这些以碳质压膜形式保存的藻类，是当时海洋初级生产力的核心贡献者；其体内的有机碳同位素组成（δ13C）会忠实记录光合作用过程中的碳同位素分馏效应，而分馏强度与海水溶解CO2浓度直接相关。正是借助这一原理，团队通过测试化石藻类的碳同位素信号，反演得到了寒武纪大爆发时期大气CO2的浓度。

重建结果表明，寒武纪大爆发期间的全球气候经历了从温室到超温室再回到温室的三阶段变化过程：距今5.53亿到5.29亿年间，大气CO2浓度从现代水平的6倍左右快速攀升至约14倍，地球进入极端超温室期；距今5.29亿年之后CO2浓度持续回落，到距今5.08亿年时降至约现代水平的5倍，气候重回到温室状态（图1）。于此同时，研究团队还进行了碳-锶同位素耦合分析研究，结果表明，大气二氧化碳浓度变化与同期海水锶同位素（87Sr/86Sr）的演化高度耦合：CO2快速上升的阶段，恰好对应海水锶同位素比值的显著下降阶段。

图1 藻类化石碳同位素重建寒武纪大爆发期大气CO2浓度

两项地球化学指标的协同变化，将气候变化的根本驱动力指向了地球深部的构造活动。海水锶同位素比值下降，意味着大量低放射性的地幔源锶注入海洋，其最主要的输入通道正是活跃的洋中脊热液系统。这一时期恰逢潘诺西亚超大陆裂解，海底扩张速率加快，俯冲带岩浆活动增强，地球深部通过火山喷发与洋中脊脱气释放巨量CO2，最终推高大气碳浓度，将全球气候推入超温室状态。后续构造活动逐渐减弱，深部碳排放量随之下降；与此同时，高温驱动的强烈大陆风化持续消耗大气中的CO2，二者共同推动大气CO2浓度回归到温室气候水平（图2）。

图2 寒武纪大爆发期碳—锶协变深部驱动的CHEES模型模拟

地球深部过程对表层系统的这种远程调控，深刻塑造了寒武纪生命演化的气候条件与节奏。超温室阶段的高温会抑制海洋垂向混合与热力环流，助推缺氧水体扩张，恰好为低氧耐受型的早期动物类群提供了独特生态位；而后续气候回落至温和温室期，海水碳酸盐饱和度逐步上升，又为动物矿化骨骼的普及与带壳生物的辐射演化创造了有利条件。

相关成果以“Algal δ13C reveals climate changes during the Cambrian Explosion”为题发表国际知名期刊《自然·通讯》Nature Communications上。这项成果是构造-环境-生命协同演化、地球化学与古生物学深度交叉研究的典范。以实体化石为载体破解古气候重建难题，通过碳、锶同位素的协同演化规律，串联起构造活动、气候变迁与生命演化之间的因果链条。尽管重建的二氧化碳浓度绝对数值仍存在一定不确定性，但这是学界首次基于实体地质记录，完整勾勒出寒武纪大爆发全过程的大气CO2浓度和气候变化框架，为理解地球深部过程与表层系统如何共同书写生命演化的壮丽篇章，打开了全新的研究视角。

文章信息：Chang, C., Zhao, M., Ju, P. et al. Algal δ13C reveals climate changes during the Cambrian Explosion. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-74516-9.