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5.4億年前的寒武紀(jì)大爆發(fā)，是生物演化史上最重要的事件之一，現(xiàn)生動(dòng)物的絕大多數(shù)門類在很短的時(shí)間里“突然”出現(xiàn)，奠定了顯生宙生物演化的基礎(chǔ)。是什么原因?qū)е铝诉@次大爆發(fā)？大爆發(fā)的過程又是什么樣的？來自中英俄團(tuán)隊(duì)的最新研究表明，氧氣含量是控制著寒武紀(jì)大爆發(fā)進(jìn)程的最關(guān)鍵因素。相關(guān)成果于2019年5月6日在線發(fā)表在英國(guó)《自然》雜志子刊《自然-地球科學(xué)》（Nature Geoscience）。
還好，不是滅霸！
動(dòng)物，作為地球上最復(fù)雜的生命，并不是從一開始就在地球上生存的。在地球的46億年歷史中，大約有40億年是沒有動(dòng)物存在的。
事實(shí)上，你所知道的，曾經(jīng)在地球上生活過的，或者仍在地球上生活的，絕大多數(shù)的動(dòng)物門類，都是在大約5.4億年前的寒武紀(jì)早期爆發(fā)式出現(xiàn)的。而這，也被保存在地層中的化石記錄所證實(shí)。
寒武紀(jì)大爆發(fā)的代表——澄江生物群生態(tài)復(fù)原圖（圖片來源：楊定華繪）
然而，百年來的古生物化石發(fā)現(xiàn)，卻留給我們一個(gè)自達(dá)爾文以來一直未解的謎題，也就是大家所熟知的“寒武紀(jì)大爆發(fā)之謎”。那么,究竟是什么控制著寒武紀(jì)大爆發(fā)的發(fā)生？大爆發(fā)的過程又是如何的？這也是當(dāng)今演化生物學(xué)和地球科學(xué)共同關(guān)注的重大基礎(chǔ)前沿科學(xué)問題。
近期，由中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所朱茂炎研究員和英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院Graham Shields教授領(lǐng)導(dǎo)的中英俄國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，給這一科學(xué)難題提供了新的答案。
研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)西伯利亞寒武紀(jì)早期碳酸鹽巖地層的碳、硫同位素研究，揭示了大氣和海洋的氧氣含量控制著寒武紀(jì)大爆發(fā)的過程。
這一最新研究成果于2019年5月6日在線發(fā)表在英國(guó)《自然-地球科學(xué)》（Nature Geoscience）上，英國(guó)利茲大學(xué)何天辰博士為第一和通訊作者，朱茂炎和Graham Shields為共同通訊作者。
始于發(fā)現(xiàn)異常
早在2006年，朱茂炎團(tuán)隊(duì)就提出了寒武紀(jì)大爆發(fā)“階段性輻射和滅絕”的過程模型，并發(fā)現(xiàn)動(dòng)物早期演化的階段性輻射和滅絕過程，與海水δ13C碳同位素的異常變化存在耦合關(guān)系。但是，這種相關(guān)性之間的具體原因和機(jī)制一直不甚清楚。
寒武紀(jì)碳同位素變化與關(guān)鍵生物群事件（改自朱茂炎等，2006）
同時(shí)，也有不少研究認(rèn)為，寒武紀(jì)早期的大氣-海洋氧含量可能對(duì)動(dòng)物早期演化產(chǎn)生了重要影響。但由于在這段時(shí)間內(nèi)并沒有氧氣含量的直接記錄，因此很難確定氧氣到底在其中起到了多大程度的影響。
過程柳暗花明
寒武紀(jì)時(shí)期，中國(guó)發(fā)育了大量頁(yè)巖沉積，保存了澄江生物群等多個(gè)世界知名的特異化石埋藏點(diǎn)，為了解寒武紀(jì)大爆發(fā)的動(dòng)物演化過程提供了獨(dú)一無二的證據(jù)。
泥質(zhì)粉砂質(zhì)頁(yè)巖中保存的澄江生物群化石（趙方臣等，2012）
然而，由于寒武紀(jì)時(shí)期中國(guó)缺少連續(xù)完整的碳酸鹽巖沉積，研究人員很難就當(dāng)時(shí)的碳同位素異常變化等問題開展深入研究。
通過對(duì)比該時(shí)期的全球地層資料，朱茂炎等發(fā)現(xiàn)，俄羅斯西伯利亞地區(qū)也許可以為解決這一科學(xué)問題提供關(guān)鍵信息。
西伯利亞勒拿河邊陡峭的寒武紀(jì)早期碳酸鹽巖地層剖面
西伯利亞地區(qū)的寒武紀(jì)早期地層剖面不僅化石豐富，更重要的是由一套連續(xù)的碳酸鹽巖沉積構(gòu)成，記錄了該時(shí)期全球海水碳同位素、硫同位素等的完整演化過程，從而為揭示該時(shí)期海水化學(xué)變化與生物演化過程之間的相關(guān)性提供了可靠的研究材料。
科研人員在采集樣品，你看到他們了嗎？
通過與俄羅斯同行合作，該團(tuán)隊(duì)于2008年在西伯利亞無人區(qū)開展了野外工作，采集了一套珍貴的寒武紀(jì)早期碳酸鹽巖地層樣品。
隨后，由來自南京古生物所、南京大學(xué)，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院、利茲大學(xué)、蘭卡斯特大學(xué)、牛津大學(xué)和俄羅斯莫斯科國(guó)立大學(xué)的科學(xué)家組成的中英俄合作團(tuán)隊(duì)，在該地區(qū)詳細(xì)的地層學(xué)和生物化石多樣性演化研究的基礎(chǔ)上，對(duì)這套樣品開展了系統(tǒng)的無機(jī)碳同位素和硫酸鹽硫同位素實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)學(xué)模型計(jì)算，估算了當(dāng)時(shí)大氣和淺海氧氣含量的變化。
西伯利亞寒武紀(jì)早期碳和硫同位素演化曲線
結(jié)果令人興奮
生物地球化學(xué)循環(huán)模型計(jì)算表明，該地區(qū)海水碳、硫同位素在寒武紀(jì)早期距今5.24億年至5.14億年期間發(fā)生了五次同步變化。當(dāng)海水碳、硫同位素同步偏重（正異常）時(shí)，表明有機(jī)碳和黃鐵礦埋藏量增加，導(dǎo)致氧氣產(chǎn)量的快速增加；當(dāng)海水碳、硫同位素同步偏輕（負(fù)異常）時(shí)，表明有機(jī)碳和黃鐵礦埋藏量減少，導(dǎo)致氧氣產(chǎn)氧量的減少。碳、硫同位素變化幅度反映了大氣和淺海中氧氣含量的變化幅度。而距今5.14 億年之后碳、硫同位素的不同步變化則反映了海水的普遍缺氧。
碳、硫同位素循環(huán)與質(zhì)量平衡示意圖
綜合生物地層資料研究表明，距今5.24億年至5.14億年之間的一千萬年時(shí)間內(nèi)，也就是寒武紀(jì)大爆發(fā)的高峰時(shí)期，碳、硫同位素值與氧氣產(chǎn)量發(fā)生的同步波動(dòng)的次數(shù)和幅度，與該時(shí)期動(dòng)物化石多樣性變化的次數(shù)和幅度在時(shí)間上高度吻合！換句話說，每次氧氣產(chǎn)量增加，動(dòng)物多樣性就明顯增加，氧氣產(chǎn)量減少，動(dòng)物多樣性則隨之降低?
而在距今5.14 億年之后的大約兩百萬年間，碳、硫同位素之間的變化則是不同步的，碳同位素保持明顯的負(fù)異常，硫同位素頻繁波動(dòng)，顯示海水普遍缺氧。巧合的是，這一時(shí)間內(nèi)發(fā)生了全球性寒武紀(jì)動(dòng)物群的大滅絕。
西伯利亞寒武紀(jì)早期碳、硫同位素（左）和氧氣生產(chǎn)量（中）與動(dòng)物多樣性（右）之間的關(guān)系，顯示動(dòng)物多樣性與產(chǎn)氧量成正比。
這一研究首次采用定量模型論證了寒武紀(jì)大爆發(fā)的幕式過程受控于大氣和海洋的氧氣含量變化，而發(fā)生在5.14 億年左右的寒武紀(jì)動(dòng)物群大滅絕事件是海水缺氧造成的。
此外，該研究也從實(shí)驗(yàn)方法學(xué)上證實(shí)，碳酸鹽巖中微量硫酸鹽硫同位素也可以很好地用于示蹤古代海水硫的循環(huán)。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（NSFC）與英國(guó)環(huán)境研究理事會(huì)（NERC）共同資助的中英國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目和中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)（B）項(xiàng)目的資助。
論文信息：
He, T.*, Zhu, M.*, Mills, B. J.W., Wynn, P. M., Zhuravlev, A. Yu., Tostevin, R., Pogge von Strandmann, P. A. E., Yang, A., Poulton, S. W., Shields, G. A.*, 2019. Possible links between extreme oxygen perturbations and the Cambrian radiation of animals. Nature Geoscience, 10.1038/s41561-019-0357-z
作者單位：中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所
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