距今約5.4億年前的寒武紀早期，地球上最復雜的生命動物“爆發(fā)式”出現(xiàn)，這一現(xiàn)象被越來越多的化石發(fā)現(xiàn)所證實。但為什么會出現(xiàn)寒武紀生命大爆發(fā)、爆發(fā)的過程又是怎樣的?這一直是當今演化生物學和地球科學共同關(guān)注的重大基礎前沿科學問題。

 

　　近期，由中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所參與領(lǐng)導的中英俄國際合作團隊，為這一科學難題提供了新的答案。合作團隊得出結(jié)論：大氣和海洋的氧氣含量控制著寒武紀大爆發(fā)的過程，氧氣含量的大幅增加，直接導致寒武紀早期生物種類“井噴”。這一最新研究成果于5月6日在線發(fā)表在英國《自然-地球科學》上。

 

　　懸案

 

　　寒武紀生命大爆發(fā)曾被指系假象

 

　　寒武紀生命大爆發(fā)被稱為古生物學和地質(zhì)學上的一大懸案。

 

　　地球誕生于46億年前，寒武紀距今約5.42億年—4.85億年。地球歷史的前40億年中，生命一直以簡單和微體的形式存在，演化緩慢，幾乎沒有留下肉眼可見的痕跡。到了5.4億年前的寒武紀時期，人們熟悉的、復雜多樣的動物各種門類（節(jié)肢動物、軟體動物、腕足動物、環(huán)節(jié)動物和原始的脊椎動物等）突然在2000萬年間大量涌現(xiàn)，奠定了顯生宙動物世界的基礎�？茖W家們將這一變化稱之為“寒武紀生命大爆發(fā)”。

 

　　達爾文在《物種起源》中提到了這一事實，并百思不得其解。因為按照達爾文進化論，生物進化經(jīng)歷了從水生到陸地、從簡單到復雜、從低級到高級的漫長演變過程。寒武紀大爆發(fā)顯然和達爾文的理論不匹配。有觀點認為，寒武紀生命爆發(fā)是一種假象。

 

　　中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所研究員朱茂炎告訴新京報記者，上世紀80年代以來，隨著越來越多化石被發(fā)現(xiàn)，人們更傾向于認為寒武紀大爆發(fā)是真實事件。但是，寒武紀大爆發(fā)為何發(fā)生、爆發(fā)的過程又是怎樣的？“有觀點猜測，氧氣控制了復雜生命的出現(xiàn)，但如何控制、有什么證據(jù)？我們通過高精度的地球化學研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，海洋中氧氣增多時，物種數(shù)量明顯增加。”

 

　　尋覓

 

　　赴西伯利亞無人區(qū)采集地層樣品

 

　　談起這次研究的起源，朱茂炎介紹，2005年南京召開了第四屆國際寒武紀地質(zhì)大會，會后他們總結(jié)了寒武紀的年代表、生物演化和環(huán)境研究，同時編制了一條寒武紀全球海水碳同位素演化曲線。

 

　　結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這條曲線與全球生物演化的階段性是對應的，海水碳同位素正異常對應的是動物大爆發(fā)階段，負異常對應的是動物滅絕階段。“但這種關(guān)聯(lián)的具體原因和機制一直不明。我們覺得這與生物氧化有關(guān)系，但到底是什么驅(qū)動了生物利用碳的過程？這是多年來，我們想探究的答案。”

 

　　朱茂炎介紹，淺水海洋中沉積的碳酸鹽巖（石灰?guī)r）能記錄海水碳同位素信息，是調(diào)查很好的切入口。研究人員將目光投到解題關(guān)鍵地區(qū)——俄羅斯西伯利亞。當?shù)氐暮�武紀早期地層剖面不僅化石豐富，而且全部由碳酸鹽巖構(gòu)成，完整記錄了該時期全球海水碳同位素的演化過程。

 

　　2008年，研究團隊與俄羅斯同行合作，在西伯利亞開展野外工作。滄海桑田，5億年前在海洋中沉積的巖層如今已暴露地表。沿著勒拿河，在一片無人區(qū)的陡峭懸崖邊，研究人員采集了一套珍貴的寒武紀早期碳酸鹽巖地層樣品。

 

　　從數(shù)百米厚的地層中采集的幾百塊樣本被帶回中國，按照時間序列和厚度序列累積起來，研究人員得以研究寒武紀大爆發(fā)的古海水變化。

 

　　為了解當時碳同位素的變化原因，研究團隊還必須分析當時海水的硫同位素變化。朱茂炎說，碳同位素的實驗方法已經(jīng)很成熟，但當時硫同位素實驗分析在國際上一直有爭議，有觀點擔心實驗過程有誤差，得不到準確結(jié)果。

 

　　經(jīng)過多年努力，研究人員改進了硫同位素分析的實驗方法。課題組對這套樣品開展了系統(tǒng)的碳、硫同位素實驗分析和數(shù)學模型計算，獲得了令人興奮的研究結(jié)果。

 

　　結(jié)論

 

　　大爆發(fā)受控于大氣和海洋的氧氣含量

 

　　朱茂炎介紹，西伯利亞地區(qū)海水碳、硫同位素在寒武紀早期發(fā)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(chǎn)量快速增加；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(chǎn)氧量減少。也就是說，碳、硫同位素的變化反映了大氣和淺海中氧氣含量的變化。

 

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，在寒武紀大爆發(fā)高峰時期，海水碳和硫同位素值發(fā)生的同步波動次數(shù)及幅度，與動物化石多樣性變化的次數(shù)及幅度在時間上高度吻合。“氧氣多了，生物多樣性就多了，物種數(shù)量明顯增加。五次變化中，西伯利亞的物種最多時增加到300多種。”

 

　　而在距今5.14億年之后的大約200萬年間，碳和硫同位素間的變化并不同步，反映了海水普遍缺氧。巧合的是，這一時間內(nèi)發(fā)生了全球性寒武紀動物群的大滅絕。

 

　　朱茂炎說，這一研究首次采用定量模型論證了動物的寒武紀大爆發(fā)過程受控于大氣和海洋的氧氣含量變化。

 

　　目前，寒武紀大爆發(fā)仍有多道謎題等待科學家解答。在朱茂炎看來，生物演化和環(huán)境相互作用，不同學科的研究人員應一起探討“解題”，共享實驗方法和思想。“要推動多學科交叉，研究古生物、地球化學、地球物理、現(xiàn)代生物學的學者要坐在一起，破解寒武紀大爆發(fā)的謎題。”

 

　　云南澄江生物群為“寒武紀大爆發(fā)”提供證據(jù)

 

　　了解寒武紀大爆發(fā)，就必須提及中國云南澄江生物群。它與加拿大布爾吉斯生物群和凱里生物群構(gòu)成世界三大頁巖型生物群，為寒武紀地質(zhì)歷史時期的生命大爆發(fā)提供了證據(jù)。

 

　　1984年7月1日，中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所研究員侯先光在帽天山發(fā)現(xiàn)一塊化石，敲開了發(fā)現(xiàn)澄江生物群的大門。這塊長尾納羅蟲化石是難得一見的軟體組織化石，首次清晰展現(xiàn)出距今5.3億年前的海洋動物世界的真實面貌。澄江生物群的發(fā)現(xiàn)，使其所在地——云南省玉溪市澄江縣聲名鵲起。

 

　　原始的生命非常脆弱，大部分沒有硬化骨骼，僅由軟組織組成。這些生命一旦死亡，極容易化為烏有。而澄江生物群的各類動物化石卻保存精美、舉世罕見，這正是它的珍貴之處。此后，我國南京、西安、昆明、北京等地的古生物學家先后對澄江生物群進行了多次大規(guī)模采集。

 

　　澄江生物群主要由多門類的無脊椎動物化石組成，門類豐富。這座“化石寶庫”充分顯示出寒武紀早期生物的多樣性，將絕大多數(shù)現(xiàn)生動物門類的演化歷史追溯到寒武紀開始，為揭示生物“寒武紀大爆發(fā)”的奧秘提供了珍貴證據(jù)，在國際上被譽為“二十世紀最驚人的科學發(fā)現(xiàn)之一”。

 

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