研究發現氧氣含量控制了寒武紀大爆發的過程

最新 05-09

作為地球上最複雜的生命，動物在大約5.4億年前的寒武紀早期爆髮式出現的觀點，被越來越多的化石發現所證實。然而，百年來古生物化石發現卻留給人們一個自達爾文以來一直未解的謎題，也就是大家所熟知的「寒武紀大爆發之謎」。即是什麼控制著寒武紀大爆發的發生？這是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。

近期，由中國科學院南京地質古生物研究所研究員朱茂炎和英國倫敦大學學院教授Graham Shields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。他們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，揭示了大氣和海洋的氧氣含量控制著寒武紀大爆發的過程。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》（Nature Geoscience）上，英國利茲大學博士何天辰為第一和通訊作者，朱茂炎和Graham Shields為共同通訊作者。

早在2006年，朱茂炎團隊就提出了階段性輻射和滅絕的寒武紀大爆發過程模型，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明。

俄羅斯西伯利亞是解決這一科學問題的關鍵地區，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。

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，獲得了令人興奮的研究結果。

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。當海水碳、硫同位素同步偏重（正異常）時，表明有機碳和黃鐵礦埋藏量增加，導致氧氣產量的快速增加；當海水碳、硫同位素同步偏輕（負異常）時，表明有機碳和黃鐵礦埋藏量減少，導致氧氣產氧量的減少。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。而在距今5.14 億年之後的大約兩百萬年間，碳和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異常，硫同位素頻繁波動。巧合的是這一時間內發生了全球性寒武紀動物群的大滅絕。

這一研究首次採用定量模型論證了動物的寒武紀大爆發的幕式過程受控於大氣和海洋的氧氣含量變化，而發生在距今5.14 億年左右的寒武紀動物群大滅絕事件是海水缺氧造成的。

此外，該研究也從實驗方法學上證實，碳酸鹽岩中微量硫酸鹽硫同位素也可以很好地用於示蹤古代海水硫的循環。