这种熟悉的气体 掌控着寒武纪生命的生与死

作者：Tony（中国科学院南京地质古生物研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

还好，不是灭霸！

动物，作为地球上最复杂的生命，并不是从一开始就在地球上生存的。在地球的46亿年历史中，大约有40亿年是没有动物存在的。

事实上，你所知道的，曾经在地球上生活过的，或者仍在地球上生活的，绝大多数的动物门类，都是在大约5.4亿年前的寒武纪早期爆发式出现的。而这，也被保存在地层中的化石记录所证实。

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）

然而，百年来的古生物化石发现，却留给我们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”。那么,究竟是什么控制着寒武纪大爆发的发生？大爆发的过程又是如何的？这也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学问题。

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。

研究团队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2019年5月6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作者，朱茂炎和Graham Shields为共同通讯作者。

始于发现异常

早在2006年，朱茂炎团队就提出了寒武纪大爆发“阶段性辐射和灭绝”的过程模型，并发现动物早期演化的阶段性辐射和灭绝过程，与海水δ13C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）

同时，也有不少研究认为，寒武纪早期的大气-海洋氧含量可能对动物早期演化产生了重要影响。但由于在这段时间内并没有氧气含量的直接记录，因此很难确定氧气到底在其中起到了多大程度的影响。

过程柳暗花明

寒武纪时期，中国发育了大量页岩沉积，保存了澄江生物群等多个世界知名的特异化石埋藏点，为了解寒武纪大爆发的动物演化过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）

然而，由于寒武纪时期中国缺少连续完整的碳酸盐岩沉积，研究人员很难就当时的碳同位素异常变化等问题开展深入研究。

通过对比该时期的全球地层资料，朱茂炎等发现，俄罗斯西伯利亚地区也许可以为解决这一科学问题提供关键信息。

西伯利亚勒拿河边陡峭的寒武纪早期碳酸盐岩地层剖面

西伯利亚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构成，记录了该时期全球海水碳同位素、硫同位素等的完整演化过程，从而为揭示该时期海水化学变化与生物演化过程之间的相关性提供了可靠的研究材料。

科研人员在采集样品，你看到他们了吗？

通过与俄罗斯同行合作，该团队于2008年在西伯利亚无人区开展了野外工作，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，在该地区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无机碳同位素和硫酸盐硫同位素实验分析和数学模型计算，估算了当时大气和浅海氧气含量的变化。

西伯利亚寒武纪早期碳和硫同位素演化曲线

结果令人兴奋

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。

碳、硫同位素循环与质量平衡示意图

综合生物地层资料研究表明，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，碳、硫同位素值与氧气产量发生的同步波动的次数和幅度，与该时期动物化石多样性变化的次数和幅度在时间上高度吻合！换句话说，每次氧气产量增加，动物多样性就明显增加，氧气产量减少，动物多样性则随之降低｡

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，显示海水普遍缺氧。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。

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。

这一研究首次采用定量模型论证了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和中科院战略先导专项（B）项目的资助。

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