称心常识网寒武纪生命大爆发
科技日报记者 张晔
在距今约5.3亿年的寒武纪，是一个神奇的地质历史时期。
在2000多万年时间内，地球上突然涌现出各种各样的生物。节肢、腕足、蠕形、海绵、脊索动物等等一系列与现代动物形态基本相同的动物在地球上来了个“集体亮相”，形成了多种门类动物同时存在的繁荣景象。
这就是著名的“寒武纪生命大爆发”，也称寒武纪大爆发，奠定了显生宙生物演化的基础。
寒武纪大爆发被称为古生物学和地质学上的一大悬案，自达尔文以来就一直困扰着进化论等学术界。因为在早期更为古老的地层中，长期以来没有找到其明显的祖先化石的现象。
是什么原因导致了这次大爆发？地球气候变化？大陆版块碰撞？还是如宗教所言所说，有神秘的力量主宰着地球生命的出现？
但是，科学家并没有轻易放弃，百年来一直试图解开“寒武纪大爆发之谜”。这已成为当今演化生物学和地球科学共同关注的重大基础前沿科学问题。
截图来自中新网视频
近期，由中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员和英国伦敦大学学院Graham Shields教授领导的中英俄国际合作团队，给这一科学难题提供了新的答案。
研究团队通过对西伯利亚寒武纪早期碳酸盐岩地层的碳、硫同位素研究，认为当时地球大气和海洋中的氧气含量，是控制寒武纪大爆发“关键开关”。
这一最新研究成果于5月6日在线发表在英国《自然-地球科学》上，英国利兹大学何天辰博士为第一和通讯作者，朱茂炎和Graham Shields为共同通讯作者。
早期的地球“令人窒息”
每天，人都需要呼吸，从空气中摄入氧气以维持生命活动，氧气占到空气的20%以上。但是你能想到，在很久很久以前，地球曾经是一个没有氧气的荒凉星球吗？那是从什么时候开始，地球由一个荒凉的无氧星球变成转换为一个能够承载生活的富氧世界？
我们都知道，植物的光合作用能形成氧气，并消耗二氧化碳。其实，在植物还没有出现前，地球造氧运动的最大功臣是藻类和菌类。
科学家通过研究发现，在寒武纪之前，也就是距今6至7亿年前的成冰纪，地球经历了斯图特冰期和马里诺冰期两次“雪球地球”事件。雪球地球消融后，温暖湿润的气候让浅海中的浮游低等藻类的繁盛。快速的风化作用和沉积作用把藻类的遗体带入沉积物中，并以黑色页岩的形式进入岩石圈。而藻类产生的氧气大量进入大气圈，使大气和浅海中的氧含量可能在冰期结束后一个相对较短的时间内有了明显的升高。
有不少研究认为，寒武纪早期的大气-海洋氧含量可能对动物早期演化产生了重要影响。但由于在这段时间内并没有氧气含量的直接记录，因此很难确定氧气到底在其中起到了多大程度的影响。
早在2006年，朱茂炎团队就提出了寒武纪大爆发“阶段性辐射和灭绝”的过程模型，并发现动物早期演化的阶段性辐射和灭绝过程，与海水碳同位素的异常变化存在耦合关系。但是，这种相关性之间的具体原因和机制一直不甚清楚。
西伯利亚找到关键证据
寒武纪时期，中国发育了大量页岩沉积，保存了澄江生物群等多个世界知名的特异化石埋藏点，为了解寒武纪大爆发的动物演化过程提供了独一无二的证据。
然而，由于寒武纪时期中国缺少连续完整的碳酸盐岩沉积，研究人员很难就当时的碳同位素异常变化等问题开展深入研究。
通过对比该时期的全球地层资料，朱茂炎等发现，俄罗斯西伯利亚地区也许可以为解决这一科学问题提供关键信息。因为该地区的寒武纪早期地层剖面不仅化石丰富，更重要的是由一套连续的碳酸盐岩沉积序列构成，记录了该时期全球海水碳同位素的完整演化过程，从而为揭示该时期包括碳、硫同位素等海水化学变化与生物演化过程之间的相关性提供了可靠研究材料。
西伯利亚勒拿河边陡峭的寒武纪早期碳酸盐岩地层剖面
通过与俄罗斯同行合作，该团队于2008年在西伯利亚开展了野外工作，采集了一套珍贵的寒武纪早期碳酸盐岩地层样品。随后，由来自南京古生物所、南京大学，英国伦敦大学学院、利兹大学、兰卡斯特大学、牛津大学和俄罗斯莫斯科国立大学的科学家组成的中英俄合作团队，在详细的地层学和生物化石多样性演化研究的基础上，对这套样品开展了系统的碳、硫同位素实验分析和数学模型计算，估算了当时大气和浅海氧气含量的变化。
寒武纪之谜终于解开
生物地球化学循环模型计算表明，该地区海水碳、硫同位素在寒武纪早期距今5.24亿年至5.14亿年期间发生了五次同步变化，其变化幅度反映了大气和浅海中氧气含量的变化幅度。而距今5.14 亿年之后碳、硫同位素的不同步变化则反映了海水的普遍缺氧。
综合生物地层资料研究表明，在寒武纪早期距今5.24亿年至5.14亿年之间的一千万年时间内，也就是寒武纪大爆发的高峰时期，海水碳和硫同位素值发生的同步波动的次数和幅度，与动物化石多样性变化的次数和幅度在时间上高度吻合。换句话说，每次氧气产量增加，动物多样性就明显增加，氧气产量减少，动物多样性则随之降低?
西伯利亚寒武纪早期碳和硫同位素演化
西伯利亚寒武纪早期碳、硫同位素和氧气生产量变化与动物多样性之间的关系
而在距今5.14 亿年之后的大约两百万年间，碳和硫同位素之间的变化则是不同步的，碳同位素保持明显的负异常，硫同位素频繁波动。巧合的是这一时间内发生了全球性寒武纪动物群的大灭绝。
据悉，这一研究首次采用定量模型论证了动物的寒武纪大爆发过程受控于大气和海洋的氧气含量变化，而发生在距今5.14 亿年左右的寒武纪动物群大灭绝事件是海水缺氧造成的。
来源：科技日报 文中图片由作者提供
编辑：刘义阳
审核：王小龙
