動物出現的這麼晚，是因為曾經的地球氧氣不足？

一組研究人員提出了有力證據支持假說——海洋中較高的氧氣含量是有5億5千萬年前有骨骼動物（skeletal animals）出現的關鍵。

來源 倫敦大學學院

翻譯 訪冬

審校 劉小鷗

論文第一作者 Rosalie Tastevin 在納米比亞

Credit: Fred Bowyer

長久以來，科學家們一直很困惑，為何簡單如藻類的生命形式存在30億年之後，地球上突然出現了複雜的生命。現在，一組研究人員提出了有力證據支持假說——海洋中較高的氧氣含量是有5億5千萬年前有骨骼動物（skeletal animals）出現的關鍵。

新研究首次區分了高氧和低氧含量的水體。結果顯示低氧水體不能支持略早於寒武紀時期進化出來的複雜生命形式，這意味著氧氣可能是這些高等動物存在的關鍵。

這項以納米比亞的 Nama 群的實地考察為基礎的這一研究已經發表在 Nature Communications 上。

該研究也是首席作者 Rosalie Tastevin 博士在倫敦大學學院（ULC）地球科學博士學位論文的一部分，她現在是牛津大學地球科學系的博士後研究助理。她說，「 複雜生命經歷了這麼久才出現的原因一直困擾著科學家們。其中一種觀點是進化本就很慢，而另一個流行的假說認為海洋中氧氣含量的增加為簡單生命形式進化出骨骼、運動能力和其它高等動物典型特徵提供了能量。

克勞德管（Cloudina，一種微小的濾食性動物）化石

Credit: RachelWood

「雖然有地球化學證據顯示，在更複雜的動物出現時，海洋氧氣含量增加，但由此導出因果關係則非常困難。我們通過分別測試高氧和低氧含量的水體，並演示早期有骨骼動物僅生存於高氧含量水體中，這提供了有力的證據說明獲得氧氣是這些動物發展的關鍵因素。然而，這些富氧的環境可能是非常局限的，限制了早期動物在海洋中生活的空間。」

團隊中有來自 UCL、愛丁堡大學、利茲大學、劍橋大學和納米比亞地質調查局的多名地球化學家，古生態學家和地理學家，他們測量了來自 Nama 群——一套保存完好的岩石，包含大量早期克勞德管、Namacalathus 和 Namapoikia 動物化石——的古海底岩石樣本的化學元素組成。

研究人員發現，岩石中測出的鈰和鐵等元素的含量顯示，在富含氧氣的表層海水和完全無氧的深層海水之間存在低氧含量的狀況。早期有骨骼動物雖然在富含氧氣的環境中非常豐富，卻並沒有出現在氧氣貧乏的區域，這說明一定水平的氧氣含量（很可能>10微摩爾）是以動物為基礎的早期生態系統發展的必要條件。

合作者之一、UCL 地球科學系 Graham Shields-Zhou 教授是 Tostevin 的博士導師，他表示，「我們認為當今主要動物類群在元古宙（Proterozoic Eon）的最後1千萬年首次長出了外殼並攪動沉積物。我們同時發現，氧氣含量對環境狀況和早期動物發展之間的關係至關重要。」

論文基本信息

【題目】Low-oxygen waterslimited habitable space for early animals

【作者】R. Tostevin et al.

【刊期】Nature Communications (2016)

【日期】23 September 2016

【DOI】10.1038/ncomms12818

【摘要】The oceans at thestart of the Neoproterozoic Era (1,000–541 million years ago, Ma) weredominantly anoxic, but may have become progressively oxygenated, coincidentwith the rise of animal life. However, the control that oxygen exerted on thedevelopment of early animal ecosystems remains unclear, as previous researchhas focussed on the identification of fully anoxic or oxic conditions, ratherthan intermediate redox levels. Here we report anomalous cerium enrichmentspreserved in carbonate rocks across bathymetric basin transects from ninelocalities of the Nama Group, Namibia (～550–541?Ma). In combination withFe-based redox proxies, these data suggest that low-oxygen conditions occurredin a narrow zone between well-oxygenated surface waters and fully anoxic deepwaters. Although abundant in well-oxygenated environments, early skeletalanimals did not occupy oxygen impoverished regions of the shelf, demonstratingthat oxygen availability (probably >10?μM) was a key requirement for thedevelopment of early animal-based ecosystems.

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