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。

文章作者:管理一号 | 2019-05-07
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5.4亿年前的寒武纪大迸发,是生物演化史上最重要的事情之一,现生动物的绝大多数类别在很短的时刻里“忽然”呈现,奠定了显生宙生物演化的根底。是什么原因导致了这次大迸发?大迸发的进程又是什么样的?来自中英俄团队的最新研讨标明,氧气含量是操控着寒武纪大迸发进程的最要害因素。相关成果于2019年5月6日在线宣布在英国《天然》杂志子刊《天然-地球科学》(Nature Geoscience)。

还好,不是灭霸!

动物,作为地球上最杂乱的生命,并不是从一开端就在地球上生计的。在地球的46亿年前史中,大约有40亿年是没有动物存在的。

事实上,你所知道的,曾经在地球上日子过的,或许仍在地球上日子的,绝大多数的动物类别,都是在大约5.4亿年前的寒武纪前期迸发式呈现的。而这,也被保存在地层中的化石记载所证明。

寒武纪大迸发的代表——澄江生物群生态复原图(图片来历:杨定华绘)

可是,百年来的古生物化石发现,却留给咱们一个自达尔文以来一向未解的谜题,也便是我们所熟知的“寒武纪大迸发之谜”。那么,终究是什么操控着寒武纪大迸发的发作?大迸发的进程又是怎么的?这也是当今演化生物学和地球科学一起重视的严重根底前沿科学问题。

近期,由我国科学院南京地质古生物研讨所朱茂炎研讨员和英国伦敦大学学院Graham Shields教授领导的中英俄国际协作团队,给这一科学难题供给了新的答案。

研讨团队经过对西伯利亚寒武纪前期碳酸盐岩地层的碳、硫同位素研讨,提醒了大气和海洋的氧气含量操控着寒武纪大迸发的进程。

这一最新研讨成果于2019年5月6日在线宣布在英国《天然-地球科学》(Nature Geoscience)上,英国利兹大学何天辰博士为第一和通讯作者,朱茂炎和Graham Shields为一起通讯作者。

始于发现反常

早在2006年,朱茂炎团队就提出了寒武纪大迸发“阶段性辐射和灭绝”的进程模型,并发现动物前期演化的阶段性辐射和灭绝进程,与海水δ13C碳同位素的反常改变存在耦合联系。可是,这种相关性之间的具体原因和机制一向不甚清楚。

寒武纪碳同位素改变与要害生物群事情(改自朱茂炎等,2006)

一起,也有不少研讨认为,寒武纪前期的大气-海洋氧含量可能对动物前期演化产生了重要影响。但因为在这段时刻内并没有氧气含量的直接记载,因而很难确认氧气到底在其间起到了多大程度的影响。

进程山穷水尽

寒武纪时期,我国发育了很多页岩堆积,保存了澄江生物群等多个国际闻名的特异化石埋藏点,为了解寒武纪大迸发的动物演化进程供给了绝无仅有的依据。

泥质粉砂质页岩中保存的澄江生物群化石(赵方臣等,2012)

可是,因为寒武纪时期我国短少接连完好的碳酸盐岩堆积,研讨人员很难就其时的碳同位素反常改变等问题展开深入研讨。

经过比照该时期的全球地层材料,朱茂炎等发现,俄罗斯西伯利亚区域或许可认为处理这一科学问题供给要害信息。

西伯利亚勒拿河滨峻峭的寒武纪前期碳酸盐岩地层剖

西伯利亚区域的寒武纪前期地层剖面不只化石丰厚,更重要的是由一套接连的碳酸盐岩堆积构成,记载了该时期全球海水碳同位素、硫同位素等的完好演化进程,从而为提醒该时期海水化学改变与生物演化进程之间的相关性供给了牢靠的研讨材料。

科研人员在收集样品,你看到他们了吗?

经过与俄罗斯同行协作,该团队于2008年在西伯利亚无人区展开了野外工作,收集了一套宝贵的寒武纪前期碳酸盐岩地层样品。

随后,由来自南京古生物所、南京大学,英国伦敦大学学院、利兹大学、兰卡斯特大学、牛津大学和俄罗斯莫斯科国立大学的科学家组成的中英俄协作团队,在该区域具体的地层学和生物化石多样性演化研讨的根底上,对这套样品展开了体系的无机碳同位素和硫酸盐硫同位素试验剖析和数学模型核算,预算了其时大气和浅海氧气含量的改变。

西伯利亚寒武纪前期碳和硫同位素演化曲线

成果令人兴奋

生物地球化学循环模型核算标明,该区域海水碳、硫同位素在寒武纪前期距今5.24亿年至5.14亿年期间发作了五次同步改变。当海水碳、硫同位素同步侧重(正反常)时,标明有机碳和黄铁矿埋藏量添加,导致氧气产值的快速添加;当海水碳、硫同位素同步偏轻(负反常)时,标明有机碳和黄铁矿埋藏量削减,导致氧气产氧量的削减。碳、硫同位素改变起伏反映了大气和浅海中氧气含量的改变起伏。而距今5.14 亿年之后碳、硫同位素的不同步改变则反映了海水的遍及缺氧。

碳、硫同位素循环与质量平衡示意图

归纳生物地层材料研讨标明,距今5.24亿年至5.14亿年之间的一千万年时刻内,也便是寒武纪大迸发的顶峰时期,碳、硫同位素值与氧气产值发作的同步动摇的次数和起伏,与该时期动物化石多样性改变的次数和起伏在时刻上高度符合!换句话说,每次氧气产值添加,动物多样性就显着添加,氧气产值削减,动物多样性则随之下降。

而在距今5.14 亿年之后的大约两百万年间,碳、硫同位素之间的改变则是不同步的,碳同位素坚持显着的负反常,硫同位素频频动摇,显现海水遍及缺氧。偶然的是,这一时刻内发作了全球性寒武纪动物群的大灭绝。

西伯利亚寒武纪前期碳、硫同位素(左)和氧气生产值(中)与动物多样性(右)之间的联系,显现动物多样性与产氧量成正比。

这一研讨初次选用定量模型证明了寒武纪大迸发的幕式进程受控于大气和海洋的氧气含量改变,而发作在5.14 亿年左右的寒武纪动物群大灭绝事情是海水缺氧形成的。

此外,该研讨也从试验方法学上证明,碳酸盐岩中微量硫酸盐硫同位素也能够很好地用于示踪古代海水硫的循环。

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