5.4亿年前的寒武纪大爆发,是生物演化史上最重要的事件之一,现生动物的绝大多数门类在很短的时间里“突然”出现,奠定了显生宙生物演化的基础。是什么原因导致了这次大爆发?大爆发的过程又是什么样的?来自中英俄团队的最新研究表明,氧气含量是控制着寒武纪大爆发进程的最关键因素。相关成果于2019年5月6日在线发表在英国《自然》杂志子刊《自然-地球科学》(Nature Geoscience)。

还好,不是灭霸!

  还好,不是灭霸!

  动物,作(zuo)为地球上(shang)最复杂的(de)生(sheng)命,并不是(shi)从一开始就在地球上(shang)生(sheng)存的(de)。在地球的(de)46亿年历史(shi)中,大约(yue)有40亿年是(shi)没(mei)有动物存在的(de)。

  事实上(shang)(shang),你所知道的(de),曾经(jing)在(zai)地球上(shang)(shang)生活(huo)过的(de),或者(zhe)仍在(zai)地球上(shang)(shang)生活(huo)的(de),绝大多数(shu)的(de)动物门类,都是在(zai)大约5.4亿年前(qian)的(de)寒武(wu)纪早期(qi)爆发(fa)式出现的(de)。而这,也被保存在(zai)地层中(zhong)的(de)化石记录(lu)所证实。

寒武纪大爆发的代表——澄江生物群生态复原图(图片来源:杨定华绘)

  寒武纪大爆发的(de)代表——澄(cheng)江生(sheng)(sheng)物群生(sheng)(sheng)态复原图(图片(pian)来源:杨定华绘)

  然而,百(bai)年(nian)来的(de)古生(sheng)物(wu)化石发(fa)现(xian),却留给我(wo)们(men)一个自(zi)达(da)尔文(wen)以来一直未解的(de)谜题(ti),也就是(shi)(shi)大(da)家(jia)所熟知的(de)“寒(han)武(wu)纪大(da)爆(bao)发(fa)之谜”。那么(me),究竟是(shi)(shi)什么(me)控(kong)制着寒(han)武(wu)纪大(da)爆(bao)发(fa)的(de)发(fa)生(sheng)?大(da)爆(bao)发(fa)的(de)过程又(you)是(shi)(shi)如何的(de)?这也是(shi)(shi)当(dang)今演化生(sheng)物(wu)学(xue)和地球科学(xue)共同关注的(de)重大(da)基础前沿科学(xue)问题(ti)。

  近期,由中国科(ke)学(xue)(xue)院南京地质古生物研究(jiu)所朱茂炎研究(jiu)员和英(ying)国伦(lun)敦大学(xue)(xue)学(xue)(xue)院Graham Shields教授领导的中英(ying)俄国际(ji)合作团(tuan)队,给这一科(ke)学(xue)(xue)难题提(ti)供了(le)新的答案(an)。

  研(yan)究(jiu)(jiu)团队通过(guo)(guo)对西(xi)伯利(li)亚寒武纪早期碳(tan)酸(suan)盐岩(yan)地层的碳(tan)、硫同位素研(yan)究(jiu)(jiu),揭示了大气和海洋的氧气含量控制着寒武纪大爆(bao)发的过(guo)(guo)程。

  这一最(zui)新研究成果于2019年5月6日在线(xian)发表在英国《自然(ran)-地球(qiu)科学》(Nature Geoscience)上,英国利兹(zi)大(da)学何天辰博士为(wei)第一和(he)通讯作者(zhe),朱茂炎(yan)和(he)Graham Shields为(wei)共同通讯作者(zhe)。

始于发现异常

始于发现(xian)异常

  早在2006年,朱茂炎团队就提出了寒武纪(ji)大爆发(fa)“阶段性辐射和(he)灭绝”的过(guo)程(cheng)模(mo)型,并发(fa)现(xian)动(dong)物早期演化的阶段性辐射和(he)灭绝过(guo)程(cheng),与(yu)海水δ13C碳同位素的异常变化存在耦合关系。但是,这种相关性之(zhi)间(jian)的具(ju)体原因(yin)和(he)机制一直不甚清楚。

寒武纪碳同位素变化与关键生物群事件(改自朱茂炎等,2006)

寒武纪碳同位素变化与关(guan)键(jian)生物群事(shi)件(改自朱茂炎等,2006)

  同时,也有不少研(yan)究认为(wei),寒武纪(ji)早(zao)期的大气(qi)-海洋氧含量(liang)(liang)可能对动物早(zao)期演化产生(sheng)了重要影(ying)响(xiang)。但由(you)于在(zai)这段时间内并没有氧气(qi)含量(liang)(liang)的直接(jie)记录,因此(ci)很难确定氧气(qi)到底在(zai)其中(zhong)起(qi)到了多大程(cheng)度的影(ying)响(xiang)。

  过程柳暗花明

  寒武纪(ji)时期,中国发(fa)育了大量页岩(yan)沉积,保存(cun)了澄江生物群等多(duo)个世界知名(ming)的特(te)异(yi)化石(shi)埋(mai)藏点,为(wei)了解寒武纪(ji)大爆发(fa)的动物演化过(guo)程提供了独一无二的证据。

泥质粉砂质页岩中保存的澄江生物群化石(赵方臣等,2012)

泥质粉砂质页岩中保存的澄江生物(wu)群化石(shi)(赵方臣等,2012)

  然而,由于寒武纪时期中(zhong)国缺少连续完整的碳酸盐岩沉积,研究人员(yuan)很难就当时的碳同位素异常变(bian)化等问题开(kai)展深(shen)入研究。

  通(tong)过对比该时(shi)期的(de)全球地层(ceng)资料(liao),朱茂炎等发现,俄(e)罗斯西伯利亚地区也(ye)许可以(yi)为(wei)解决这(zhei)一科(ke)学问题(ti)提(ti)供关键信息。

西伯利亚勒拿河边陡峭的寒武纪早期碳酸盐岩地层剖面

西(xi)伯利(li)亚勒(le)拿河边陡峭(qiao)的寒(han)武纪早期碳酸盐岩(yan)地层剖面

  西伯利亚(ya)地区的(de)寒武纪早期(qi)地层剖面(mian)不仅化(hua)(hua)石(shi)丰(feng)富,更(geng)重要的(de)是由一套连(lian)续的(de)碳(tan)酸盐(yan)岩沉积构成,记(ji)录了(le)该时期(qi)全球海(hai)水碳(tan)同位素、硫同位素等(deng)的(de)完整演(yan)化(hua)(hua)过程(cheng),从而为揭示该时期(qi)海(hai)水化(hua)(hua)学变化(hua)(hua)与生(sheng)物演(yan)化(hua)(hua)过程(cheng)之(zhi)间的(de)相关性提供(gong)了(le)可(ke)靠的(de)研究材料。

科研人员在采集样品,你看到他们了吗?

科研(yan)人员在采集样品,你看到他们了(le)吗?

  通过与(yu)俄罗斯同行合(he)作(zuo),该团队于2008年在西伯利亚(ya)无(wu)人区(qu)开展了野外(wai)工作(zuo),采集了一套珍贵的(de)寒武纪早期碳酸(suan)盐岩地层(ceng)样品(pin)。

  随后,由(you)来自(zi)南(nan)京古生物所、南(nan)京大(da)学(xue),英国伦敦大(da)学(xue)学(xue)院、利兹大(da)学(xue)、兰卡斯(si)(si)特大(da)学(xue)、牛津大(da)学(xue)和(he)(he)(he)俄罗(luo)斯(si)(si)莫斯(si)(si)科国立(li)大(da)学(xue)的科学(xue)家组成的中英俄合作团(tuan)队,在该地区详(xiang)细的地层学(xue)和(he)(he)(he)生物化石多样性演(yan)化研(yan)究的基(ji)础上,对(dui)这(zhei)套样品开展(zhan)了(le)系统的无机(ji)碳同位素和(he)(he)(he)硫酸(suan)盐硫同位素实验分析和(he)(he)(he)数学(xue)模型计算,估算了(le)当时大(da)气(qi)和(he)(he)(he)浅海氧气(qi)含量的变化。

西伯利亚寒武纪早期碳和硫同位素演化曲线

西伯利亚寒(han)武纪(ji)早期碳和硫同位素演化(hua)曲线

  结果令人兴奋

  生(sheng)物地球化学(xue)循(xun)环模(mo)型计算表明(ming),该地区海(hai)水(shui)碳、硫(liu)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)在寒武纪(ji)早期距今5.24亿(yi)年(nian)(nian)至(zhi)5.14亿(yi)年(nian)(nian)期间发生(sheng)了五次(ci)同(tong)(tong)(tong)(tong)步(bu)变(bian)化。当(dang)海(hai)水(shui)碳、硫(liu)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)同(tong)(tong)(tong)(tong)步(bu)偏(pian)重(正异(yi)常)时(shi),表明(ming)有机(ji)碳和黄铁(tie)矿(kuang)埋(mai)藏量(liang)增加(jia),导致(zhi)氧气(qi)产(chan)量(liang)的(de)快速增加(jia);当(dang)海(hai)水(shui)碳、硫(liu)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)同(tong)(tong)(tong)(tong)步(bu)偏(pian)轻(负异(yi)常)时(shi),表明(ming)有机(ji)碳和黄铁(tie)矿(kuang)埋(mai)藏量(liang)减少(shao),导致(zhi)氧气(qi)产(chan)氧量(liang)的(de)减少(shao)。碳、硫(liu)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)变(bian)化幅(fu)度(du)反映(ying)了大气(qi)和浅海(hai)中氧气(qi)含量(liang)的(de)变(bian)化幅(fu)度(du)。而距今5.14 亿(yi)年(nian)(nian)之后(hou)碳、硫(liu)同(tong)(tong)(tong)(tong)位(wei)素(su)的(de)不同(tong)(tong)(tong)(tong)步(bu)变(bian)化则(ze)反映(ying)了海(hai)水(shui)的(de)普遍缺氧。

碳、硫同位素循环与质量平衡示意图

碳、硫(liu)同位(wei)素循环与质量平衡示意(yi)图

  综合(he)生物(wu)地层资料研究表明,距(ju)今5.24亿年(nian)至5.14亿年(nian)之间的(de)一千(qian)万年(nian)时间内,也(ye)就是寒武纪大爆(bao)发的(de)高(gao)峰时期(qi)(qi),碳(tan)、硫(liu)同位素值与(yu)(yu)氧(yang)气产量(liang)发生的(de)同步(bu)波动(dong)的(de)次(ci)数(shu)和(he)幅(fu)度,与(yu)(yu)该时期(qi)(qi)动(dong)物(wu)化石多样性变化的(de)次(ci)数(shu)和(he)幅(fu)度在时间上高(gao)度吻合(he)!换句话说,每(mei)次(ci)氧(yang)气产量(liang)增加(jia),动(dong)物(wu)多样性就明显增加(jia),氧(yang)气产量(liang)减少,动(dong)物(wu)多样性则(ze)随之降低(di)。

  而在距今5.14 亿年之后的(de)(de)大(da)约两百万年间(jian),碳、硫同(tong)位(wei)素(su)(su)之间(jian)的(de)(de)变化则是不同(tong)步的(de)(de),碳同(tong)位(wei)素(su)(su)保持明显(xian)的(de)(de)负异(yi)常,硫同(tong)位(wei)素(su)(su)频(pin)繁波动,显(xian)示海水普遍缺(que)氧。巧合(he)的(de)(de)是,这一(yi)时间(jian)内发生了全球(qiu)性寒武纪动物群的(de)(de)大(da)灭(mie)绝。

西伯利亚寒武纪早期碳、硫同位素(左)和氧气生产量(中)与动物多样性(右)之间的关系,显示动物多样性与产氧量成正比。

  西伯利亚寒武纪早期碳、硫同位素(左)和氧气生产(chan)量(中(zhong))与(yu)动物(wu)多(duo)样性(右(you))之(zhi)间的关系(xi),显(xian)示动物(wu)多(duo)样性与(yu)产(chan)氧量成正比。

  这一研(yan)究首次(ci)采用定量模型论(lun)证了寒武(wu)纪(ji)大(da)爆发(fa)的幕式(shi)过程受控于大(da)气(qi)和海洋的氧(yang)气(qi)含量变化,而发(fa)生(sheng)在5.14 亿年左(zuo)右的寒武(wu)纪(ji)动物群大(da)灭绝事件是海水缺氧(yang)造(zao)成的。

  此(ci)外(wai),该(gai)研究也(ye)从实验方法学上证实,碳酸(suan)盐岩中微(wei)量硫(liu)酸(suan)盐硫(liu)同(tong)位素也(ye)可以很好地用(yong)于示踪古代海水硫(liu)的循环(huan)。