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新研究发现氧气含量控制了寒武纪大爆发的过程

  作为地球上最复杂的生命,动物在大约5.4亿年前的寒武纪早期爆发式出现的观点,被越来越多的化石发现所证实。然而,百年来古生物化石发现却留给大家一个自达尔文以来一直未解的谜题,也就是大家所熟知的“寒武纪大爆发之谜”。即是什么控制着寒武纪大爆发的发生?这是当今演化生物学和地球科学共同关注的重大基础前沿科知识题。 

  近期,由中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员和英国伦敦大学学院Graham Shields教授领导的中英俄国际合作团队,给这一科学难题提供了新的答案。他们通过对西伯利亚寒武纪早期碳酸盐岩地层的碳、硫同位素研究,揭示了大气和海洋的氧气含量控制着寒武纪大爆发的过程。这一最新研究成果于201956日在线发表在英国《自然-地球科学》(Nature Geoscience)上,英国利兹大学何天辰博士为第一和通讯编辑,朱茂炎和Graham Shields为共同通讯编辑。 

  早在2006年,朱茂炎团队就提出了阶段性辐射和灭绝的寒武纪大爆发过程模型,并发现动物早期演化的阶段性辐射和灭绝过程,与海水碳同位素的异常变化存在耦合关系。但是,这种相关性之间的具体原因和机制一直不明。 

  俄罗斯西伯利亚是解决这一科知识题的关键地区,因为该地区的寒武纪早期地层剖面不仅化石丰富,更重要的是由一套连续的碳酸盐岩沉积序列构成,记录了该时期全球海水碳同位素的完整演化过程,从而为揭示该时期包括碳、硫同位素等海水化学变化与生物演化过程之间的相关性提供了可靠研究材料。 

  通过与俄罗斯同行合作,该团队于2008年在西伯利亚开展了野外工作,采集了一套珍贵的寒武纪早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合作团队,在详细的地层学和生物化石多样性演化研究的基础上,对这套样品开展了系统的碳、硫同位素实验分析和数学模型计算,获得了令人兴奋的研究结果。 

  生物地球化学循环模型计算表明,该地区海水碳、硫同位素在寒武纪早期距今5.24亿年至5.14亿年期间发生了五次同步变化。当海水碳、硫同位素同步偏重(正异常)时,表明有机碳和黄铁矿埋藏量增加,导致氧气产量的快速增加;当海水碳、硫同位素同步偏轻(负异常)时,表明有机碳和黄铁矿埋藏量减少,导致氧气产氧量的减少。碳、硫同位素变化幅度反映了大气和浅海中氧气含量的变化幅度。而距今5.14 亿年之后碳、硫同位素的不同步变化则反映了海水的普遍缺氧。 

  综合生物地层资料研究表明,在寒武纪早期距今5.24亿年至5.14亿年之间的一千万年时间内,也就是寒武纪大爆发的高峰时期,海水碳和硫同位素值发生的同步波动的次数和幅度,与动物化石多样性变化的次数和幅度在时间上高度吻合。而在距今5.14 亿年之后的大约两百万年间,碳和硫同位素之间的变化则是不同步的,碳同位素保持明显的负异常,硫同位素频繁波动。巧合的是这一时间内发生了全球性寒武纪动物群的大灭绝。 

  这一研究首次采用定量模型论证了动物的寒武纪大爆发的幕式过程受控于大气和海洋的氧气含量变化,而发生在距今5.14 亿年左右的寒武纪动物群大灭绝事件是海水缺氧造成的。 

  此外,该研究也从实验方法学上证实,碳酸盐岩中微量硫酸盐硫同位素也可以很好地用于示踪古代海水硫的循环。 

  该研究得到国家自然科学基金(NSFC)与英国环境研究理事会(NERC)共同资助的中英国际合作重点项目(41661134048)和中科院战略先导专项(B)项目(XDB18000000XDB26000000)的资助。 

  论文信息:He, T.*, Zhu, M.*, Mills, B. J.W., Wynn, P. M., Zhuravlev, A. Yu., Tostevin, R., Pogge von Strandmann, P. A. E., Yang, A., Poulton, S. W., Shields, G. A.*, 2019. Possible links between extreme oxygen perturbations and the Cambrian radiation of animals. Nature Geoscience, 10.1038/s41561-019-0357-z 

 

西伯利亚勒拿河边陡峭的寒武纪早期碳酸盐岩地层剖面

 

西伯利亚寒武纪早期碳和硫同位素演化

 

西伯利亚寒武纪早期碳、硫同位素和氧气生产量变化与动物多样性之间的关系

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