埃迪卡拉紀-寒武紀早期（6.35~5.09億年前）是地球生命與環境演化的關鍵時期，該時期海洋的氧化還原結構及其氧化與早期動物演化之間的關係還存在爭論，中國地質大學（武漢）李超教授團隊在Science Bulletin上發表了題為 「The redox structure of Ediacaran and early Cambrian oceans and its controls」 的評述文章，系統總結了當前對這一時期海洋氧化還原結構的認識，深入剖析了海洋缺氧分層的可能機理與控制因素，初步建立了生命與古海洋之間新的協同演化關係。
動物出現於成冰紀（7.2～6.35億年前）並在其後的埃迪卡拉紀（6.35～5.41億年前）和寒武紀早期（5.41～5.09億年前）出現階段性和空間差異性快速演化（即「寒武紀生命大爆發」），這是地球歷史上最重要的生命演化事件之一。由於早期動物生存於海洋，其對氧氣的需求隨機體複雜性及生命活動水平的提高而提高，故古海洋的氧化還原狀態是研究早期動物演化的核心之一，但兩者之間的關係仍存在廣泛爭論。傳統協同演化假說（圖1(a)）認為是埃迪卡拉紀-寒武紀早期深部海洋氧含量的顯著提高（圖2(a,e,f)）驅動了早期動物的發展，而非協同演化假說（圖1(b)）則認為當時海洋的氧化程度非常有限（圖2(b)），但早期動物的代謝並不需要多少氧氣，遺傳或生態因素應該對其快速演化更為重要。
圖1 埃迪卡拉紀-寒武紀早期海洋氧化與早期動物演化關係假說
圖2 埃迪卡拉紀-寒武紀早期海洋氧化還原結構模型
基於大量地質證據，海洋氧化還原分層模型（即「硫化楔」模型，圖2(c)；後期基於化學熱力學預測將該模型發展為「理想化學分層」模型，圖2(d)）強調了埃迪卡拉紀-寒武紀早期海洋氧化還原狀態具有空間差異性，即海洋中層富含H2S（稱為「硫化」）水體與表層氧化水體、深層缺氧富含Fe2+（稱為「鐵化」）水體動態共存，而硫化水體的規模和位置受當地Fe-S-C的生物地球化學平衡調控，這種現象在陸架區尤為明顯，由此建立了新型協同演化假說：在埃迪卡拉紀-寒武紀早期氧化還原分層的海洋中，陸架區表層氧化水體的動態擴張導致了該時期動物快速演化且具有時間和空間上的差異性（圖1(c)）。
為何埃迪卡拉紀-寒武紀早期的海洋處於深部缺氧狀態？作者認為這是因為該時期大氣氧含量仍舊很低，且表層海洋光合作用形成的有機質向深海大量輸入，而此時海水的垂直混合速率低於現代海洋，使得有機質在深海處氧化所需的氧化劑大於因海水垂直混合所帶來的氧化劑，故深海處於缺氧狀態。為了定量評估海水的垂直混合速率對埃迪卡拉紀-寒武紀早期海水氧化劑分布的影響，作者建立了海水垂直混合速率影響SO42-分布的一維模型（圖3），該模型顯示低的海水垂直混合速率將在陸架區產生SO42-濃度和同位素組成的空間梯度，這確與目前對埃迪卡拉紀-寒武紀早期的古海洋的觀測相符。模型結果顯示，當海水垂直混合速率低於現代黑海底層海水擴散係數（4℃時為～0.8×10-5cm2s-1）的2.06倍時即可實現深海缺氧。隨著海水垂直混合速率逐漸提高，該空間梯度會隨之減弱並消失，這表明埃迪卡拉紀-寒武紀早期海洋氧化還原狀態的明顯分層很可能是由低的海水垂直混合速率引起。作者同時也表明，這一時期較低的海水垂直混合速率的原因是不清楚的，還需要進一步的工作。
圖3 不同垂直混合速率對古海洋硫酸鹽分布影響的定量模擬（DBS:黑海底層海水擴散係數）
圖4 前寒武紀-寒武紀早期中層硫化水體的形成機制
對於埃迪卡拉紀-寒武紀早期海洋陸架區中層水體硫化帶的成因，作者認為這是因為陸架區表層光合作用形成的有機質在逐步下沉過程中，O2、NO3-、Mn4+、Fe3+、SO42-等自然界存在的氧化劑均可與其進行反應，但由於SO42-的氧化性最弱，故其主導了中深部缺氧海洋有機質的降解。在缺氧水體中，消耗有機質與SO42-並產生H2S的硫酸鹽還原反應（MSR）以及消耗Fe2+（來源於河流輸入Fe3+的還原產物和海底熱液）與H2S並產生FeS2的黃鐵礦形成反應共同主導了硫化環境的發育（見圖4）：若上述兩個反應較量後環境中仍有H2S存在，那麼該環境為硫化環境，反之則為鐵化環境。由於埃迪卡拉紀-寒武紀早期海洋的SO42-儲庫非常小且主要來源於陸地風化輸入，同時該時期海水垂直混合速率很低且深水區的MSR不斷消耗SO42-，故SO42-濃度可能具有從近岸向遠洋深水區逐漸降低的趨勢，這就使得在陸架區形成硫化環境成為可能；隨著SO42-和/或有機質的輸入向遠洋區方向逐步減少，產生的H2S也逐步減少，這樣硫化水體將最終在遠洋深水區消失並在深部海洋熱液Fe2+輸入影響下逐步轉變為鐵化環境。該機製得到了多項研究成果的支持，很可能是陸架區中層水體發育硫化的首要原因。
由於埃迪卡拉紀-寒武紀早期的動物主要存在於陸架淺水區，故該時期動物快速演化理論上與傳統協同演化模型中提到的深海顯著氧化無關，這意味著全球深海氧化並不是早期動物快速演化的必要前提。綜合上述分析，如果古海洋氧化確實驅動了早期動物的快速演化，那麼該過程最大可能是通過陸架區表層氧化海水的擴張來實現的，而這一氧化過程顯著的時空差異性則可能深刻地塑造了早期動物演化的時空特徵。