黑马:中國科學家為寒武紀生命大爆發添新解

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2019-05-21 07:39:18  來源:新京報

2008年,研究團隊在西伯利亞開展了野外工作,采集了一套珍貴的寒武紀早期碳酸鹽巖地層樣品。受訪者供圖

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“爆發式”出現,這一現象被越來越多的化石發現所證實。但為什么會出現寒武紀生命大爆發、爆發的過程又是怎樣的?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參與領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。合作團隊得出結論:大氣和海洋的氧氣含量控制著寒武紀大爆發的過程,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日在線發表在英國《自然-地球科學》上。

懸案

寒武紀生命大爆發曾被指系假象

寒武紀生命大爆發被稱為古生物學和地質學上的一大懸案。

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(節肢動物、軟體動物、腕足動物、環節動物和原始的脊椎動物等)突然在2000萬年間大量涌現,奠定了顯生宙動物世界的基礎??蒲Ъ頤墻庖槐浠浦?ldquo;寒武紀生命大爆發”。

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。寒武紀大爆發顯然和達爾文的理論不匹配。有觀點認為,寒武紀生命爆發是一種假象。

中國科學院南京地質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現,人們更傾向于認為寒武紀大爆發是真實事件。但是,寒武紀大爆發為何發生、爆發的過程又是怎樣的?“有觀點猜測,氧氣控制了復雜生命的出現,但如何控制、有什么證據?我們通過高精度的地球化學研究數據發現,海洋中氧氣增多時,物種數量明顯增加。”

尋覓

赴西伯利亞無人區采集地層樣品

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大會,會后他們總結了寒武紀的年代表、生物演化和環境研究,同時編制了一條寒武紀全球海水碳同位素演化曲線。

結果發現,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階段,負異常對應的是動物滅絕階段。“但這種關聯的具體原因和機制一直不明。我們覺得這與生物氧化有關系,但到底是什么驅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(石灰巖)能記錄海水碳同位素信息,是調查很好的切入口。研究人員將目光投到解題關鍵地區——俄羅斯西伯利亞。當地的寒武紀早期地層剖面不僅化石豐富,而且全部由碳酸鹽巖構成,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,得不到準確結果。

經過多年努力,研究人員改進了硫同位素分析的實驗方法??翁庾槎哉馓籽房沽訟低車奶?、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。

結論

大爆發受控于大氣和海洋的氧氣含量

朱茂炎介紹,西伯利亞地區海水碳、硫同位素在寒武紀早期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。

研究人員發現,在寒武紀大爆發高峰時期,海水碳和硫同位素值發生的同步波動次數及幅度,與動物化石多樣性變化的次數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,這一時間內發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、現代生物學的學者要坐在一起,破解寒武紀大爆發的謎題。”

■ 鏈接

云南澄江生物群為“寒武紀大爆發”提供證據

了解寒武紀大爆發,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成世界三大頁巖型生物群,為寒武紀地質歷史時期的生命大爆發提供了證據。

1984年7月1日,中國科學院南京地質古生物研究所研究員侯先光在帽天山發現一塊化石,敲開了發現澄江生物群的大門。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。澄江生物群的發現,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,將絕大多數現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”的奧秘提供了珍貴證據,在國際上被譽為“二十世紀最驚人的科學發現之一”。

(編輯:WB0001)
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