寒武纪为什么生命大爆发？科学家可能找到了答案

图虫创意

寒武纪生命大爆发是指在距今5.4-5.18亿年寒武纪早期，在占生命演化历史不到0.5%的2000多万年里，发生的一次生物多样性急剧增加的事件。在这一时期，地球上首次出现了大量具有硬体外壳和复杂结构的多细胞生物，这些生物在相对较短的时间内迅速演化并占据了主导地位。这些动物门类在此后的时间里逐渐演化和发展，形成了今天地球上丰富多样的生物世界。

长期以来，寒武纪生命大爆发被称为“生命演化历史上的悬案”，著名的古生物学家达尔文就对这一现象百思不得其解。因为在他所处的那个时代，化石记录并不完全，缺乏寒武纪之前的化石证据。

当时达尔文在物种起源中提出的进化论认为生物都是逐步演化的，而寒武纪早期短时间内呈现出的多门类生物同时演化的现象似乎不符合这个观点，因此寒武纪大爆发也经常被人们拿来作为反对进化论的例子。实际上这只是当年对寒武纪之前时代的地层发掘有限导致的。

随着后来距今约5.7-5.41亿年埃迪卡拉生物群的发现，寒武纪之前生命演化的脉络就逐渐清晰了。特别是2011年在我国三峡地区发现的石板滩生物群，里面不仅发现了很多固着生活的动物，最重要的是还发现了最早具有运动能力的两侧对称动物——夷陵虫！石板滩生物群的年代是距今约5.5-5.4亿年的埃迪卡拉纪末期，刚好对接了寒武纪，可以说它的出现填补了上寒武纪之前生命演化的最后一段空白。

所以寒武纪生命演化并不是大爆发，准确地说，不是“无中生有的爆发”，而是“有传承的爆发”。由此，古生物学家对这个生命演化史上著名悬案的研究重点从“为什么无中生有的爆发”转向了爆发的诱因是什么。

之前的研究认为，寒武纪时期，地球经历了一系列重大变化，包括气候变化、海洋化学变化和地质活动。这些变化为生命的快速多样化创造了有利条件。其中海洋中氧气含量的增加为生物多样性的爆发提供了适宜的环境条件。随着氧气的增加，生物体的代谢速率和生长速率也相应提高，从而促进了生物的快速演化。但是最近几年的相关研究表明，早期动物对氧气的需求量并不高。更有观点认为，海洋氧化是寒武纪生命大量出现的结果而非原因。可见寒武纪早期海洋氧化还原变化和生命快速发展之间的相互作用机制仍不清楚，需进一步探究。

最近，我国科学家卫炜等人，通过对采集扬子板块距今约5.21亿年前的下寒武统富金属页岩的钡同位素数据，分析之后发现，埃迪卡拉纪到寒武纪过渡时期，由于海洋的逐渐氧化提升了硫酸根浓度，当时海洋中钡离子的含量比较高，而水体中高浓度的钡会抑制水生动物的存活率。高中时候的化学课上曾经教过大家硫酸钡不溶于水这个知识点。当时海洋中累积的钡离子就慢慢被大量的硫酸根以重晶石形式移除了。也就是说当时的氧气给海洋来了一波“大解毒”，不仅氧化了海洋中的有毒硫化物，连带着还把同样有毒的钡离子也移除了，这大大改善了海洋的宜居性，从而促使了寒武纪生命大爆发。

当然，这项研究的结果也只是为寒武纪早期海洋氧化与生命大爆发之间的互馈机制提供了一个新的见解。随着古生物学、地质学、化学和生物学等领域的发展，科学家们也通过古环境重建、基因组学研究等方法来探讨寒武纪生命集中出现和发展的成因和过程。我相信在这一生命演化历史上的“悬案”，终究有解开的那一天。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者： 刘森

审核： 高源审核专家国家自然博物馆 副研究馆员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司