寒武紀生命大爆發，最關鍵的因素就是它！

新聞 05-09

科技日報記者張曄

在距今約5.3億年的寒武紀，是一個神奇的地質歷史時期。

在2000多萬年時間內，地球上突然湧現出各種各樣的生物。節肢、腕足、蠕形、海綿、脊索動物等等一系列與現代動物形態基本相同的動物在地球上來了個「集體亮相」，形成了多種門類動物同時存在的繁榮景象。

這就是著名的「寒武紀生命大爆發」，也稱寒武紀大爆發，奠定了顯生宙生物演化的基礎。

寒武紀大爆發被稱為古生物學和地質學上的一大懸案，自達爾文以來就一直困擾著進化論等學術界。因為在早期更為古老的地層中，長期以來沒有找到其明顯的祖先化石的現象。

是什麼原因導致了這次大爆發？地球氣候變化？大陸版塊碰撞？還是如宗教所言所說，有神秘的力量主宰著地球生命的出現？

但是，科學家並沒有輕易放棄，百年來一直試圖解開「寒武紀大爆發之謎」。這已成為當今演化生物學和地球科學共同關注的重大基礎前沿科學問題。

截圖來自中新網視頻

近期，由中國科學院南京地質古生物研究所朱茂炎研究員和英國倫敦大學學院Graham Shields教授領導的中英俄國際合作團隊，給這一科學難題提供了新的答案。

研究團隊通過對西伯利亞寒武紀早期碳酸鹽岩地層的碳、硫同位素研究，認為當時地球大氣和海洋中的氧氣含量，是控制寒武紀大爆發「關鍵開關」。

這一最新研究成果於5月6日在線發表在英國《自然-地球科學》上，英國利茲大學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。

早期的地球「令人窒息」

每天，人都需要呼吸，從空氣中攝入氧氣以維持生命活動，氧氣佔到空氣的20%以上。但是你能想到，在很久很久以前，地球曾經是一個沒有氧氣的荒涼星球嗎？那是從什麼時候開始，地球由一個荒涼的無氧星球變成轉換為一個能夠承載生活的富氧世界？

我們都知道，植物的光合作用能形成氧氣，並消耗二氧化碳。其實，在植物還沒有出現前，地球造氧運動的最大功臣是藻類和菌類。

科學家通過研究發現，在寒武紀之前，也就是距今6至7億年前的成冰紀，地球經歷了斯圖特冰期和馬里諾冰期兩次「雪球地球」事件。雪球地球消融後，溫暖濕潤的氣候讓淺海中的浮游低等藻類的繁盛。快速的風化作用和沉積作用把藻類的遺體帶入沉積物中，並以黑色頁岩的形式進入岩石圈。而藻類產生的氧氣大量進入大氣圈，使大氣和淺海中的氧含量可能在冰期結束後一個相對較短的時間內有了明顯的升高。

有不少研究認為，寒武紀早期的大氣-海洋氧含量可能對動物早期演化產生了重要影響。但由於在這段時間內並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。

早在2006年，朱茂炎團隊就提出了寒武紀大爆發「階段性輻射和滅絕」的過程模型，並發現動物早期演化的階段性輻射和滅絕過程，與海水碳同位素的異常變化存在耦合關係。但是，這種相關性之間的具體原因和機制一直不甚清楚。

西伯利亞找到關鍵證據

寒武紀時期，中國發育了大量頁岩沉積，保存了澄江生物群等多個世界知名的特異化石埋藏點，為了解寒武紀大爆發的動物演化過程提供了獨一無二的證據。

然而，由於寒武紀時期中國缺少連續完整的碳酸鹽岩沉積，研究人員很難就當時的碳同位素異常變化等問題開展深入研究。

通過對比該時期的全球地層資料，朱茂炎等發現，俄羅斯西伯利亞地區也許可以為解決這一科學問題提供關鍵信息。因為該地區的寒武紀早期地層剖面不僅化石豐富，更重要的是由一套連續的碳酸鹽岩沉積序列構成，記錄了該時期全球海水碳同位素的完整演化過程，從而為揭示該時期包括碳、硫同位素等海水化學變化與生物演化過程之間的相關性提供了可靠研究材料。

西伯利亞勒拿河邊陡峭的寒武紀早期碳酸鹽岩地層剖面

通過與俄羅斯同行合作，該團隊於2008年在西伯利亞開展了野外工作，採集了一套珍貴的寒武紀早期碳酸鹽岩地層樣品。隨後，由來自南京古生物所、南京大學，英國倫敦大學學院、利茲大學、蘭卡斯特大學、牛津大學和俄羅斯莫斯科國立大學的科學家組成的中英俄合作團隊，在詳細的地層學和生物化石多樣性演化研究的基礎上，對這套樣品開展了系統的碳、硫同位素實驗分析和數學模型計算，估算了當時大氣和淺海氧氣含量的變化。

寒武紀之謎終於解開

生物地球化學循環模型計算表明，該地區海水碳、硫同位素在寒武紀早期距今5.24億年至5.14億年期間發生了五次同步變化，其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 億年之後碳、硫同位素的不同步變化則反映了海水的普遍缺氧。

綜合生物地層資料研究表明，在寒武紀早期距今5.24億年至5.14億年之間的一千萬年時間內，也就是寒武紀大爆發的高峰時期，海水碳和硫同位素值發生的同步波動的次數和幅度，與動物化石多樣性變化的次數和幅度在時間上高度吻合。換句話說，每次氧氣產量增加，動物多樣性就明顯增加，氧氣產量減少，動物多樣性則隨之降低?