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5.4億年前的寒武紀大爆發，是生物演化史上最重要的事件之一，現生動物的絕大多數門類在很短的時間裡「突然」出現，奠定了顯生宙生物演化的基礎。是什麼原因導致了這次大爆發？大爆發的過程又是什麼樣的？來自中英俄團隊的最新研究表明，氧氣含量是控制著寒武紀大爆發進程的最關鍵因素。相關成果於2019年5月6日在線發表在英國《自然》雜誌子刊《自然-地球科學》（Nature Geoscience）。
還好，不是滅霸！
動物，作為地球上最複雜的生命，並不是從一開始就在地球上生存的。在地球的46億年歷史中，大約有40億年是沒有動物存在的。
事實上，你所知道的，曾經在地球上生活過的，或者仍在地球上生活的，絕大多數的動物門類，都是在大約5.4億年前的寒武紀早期爆發式出現的。而這，也被保存在地層中的化石記錄所證實。
寒武紀大爆發的代表——澄江生物群生態復原圖（圖片來源：楊定華繪）
然而，百年來的古生物化石發現，卻留給我們一個自達爾文以來一直未解的謎題，也就是大家所熟知的「寒武紀大爆發之謎」。那麼,究竟是什麼控制著寒武紀大爆發的發生？大爆發的過程又是如何的？這也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朱茂炎研究員和英國倫敦大學學院Graham Shields教授領導的中英俄國際合作團隊，給這一科學難題提供了新的答案。
研究團隊通過對西伯利亞寒武紀早期碳酸鹽巖地層的碳、硫同位素研究，揭示了大氣和海洋的氧氣含量控制著寒武紀大爆發的過程。
這一最新研究成果於2019年5月6日在線發表在英國《自然-地球科學》（Nature Geoscience）上，英國利茲大學何天辰博士為第一和通訊作者，朱茂炎和Graham Shields為共同通訊作者。
始於發現異常
早在2006年，朱茂炎團隊就提出了寒武紀大爆發「階段性輻射和滅絕」的過程模型，並發現動物早期演化的階段性輻射和滅絕過程，與海水δ13C碳同位素的異常變化存在耦合關係。但是，這種相關性之間的具體原因和機制一直不甚清楚。
寒武紀碳同位素變化與關鍵生物群事件（改自朱茂炎等，2006）
同時，也有不少研究認為，寒武紀早期的大氣-海洋氧含量可能對動物早期演化產生了重要影響。但由於在這段時間內並沒有氧氣含量的直接記錄，因此很難確定氧氣到底在其中起到了多大程度的影響。
過程柳暗花明
寒武紀時期，中國發育了大量頁巖沉積，保存了澄江生物群等多個世界知名的特異化石埋藏點，為了解寒武紀大爆發的動物演化過程提供了獨一無二的證據。
泥質粉砂質頁巖中保存的澄江生物群化石（趙方臣等，2012）
然而，由於寒武紀時期中國缺少連續完整的碳酸鹽巖沉積，研究人員很難就當時的碳同位素異常變化等問題開展深入研究。
通過對比該時期的全球地層資料，朱茂炎等發現，俄羅斯西伯利亞地區也許可以為解決這一科學問題提供關鍵信息。
西伯利亞勒拿河邊陡峭的寒武紀早期碳酸鹽巖地層剖面
西伯利亞地區的寒武紀早期地層剖面不僅化石豐富，更重要的是由一套連續的碳酸鹽巖沉積構成，記錄了該時期全球海水碳同位素、硫同位素等的完整演化過程，從而為揭示該時期海水化學變化與生物演化過程之間的相關性提供了可靠的研究材料。
科研人員在採集樣品，你看到他們了嗎？
通過與俄羅斯同行合作，該團隊於2008年在西伯利亞無人區開展了野外工作，採集了一套珍貴的寒武紀早期碳酸鹽巖地層樣品。
隨後，由來自南京古生物所、南京大學，英國倫敦大學學院、利茲大學、蘭卡斯特大學、牛津大學和俄羅斯莫斯科國立大學的科學家組成的中英俄合作團隊，在該地區詳細的地層學和生物化石多樣性演化研究的基礎上，對這套樣品開展了系統的無機碳同位素和硫酸鹽硫同位素實驗分析和數學模型計算，估算了當時大氣和淺海氧氣含量的變化。
西伯利亞寒武紀早期碳和硫同位素演化曲線
結果令人興奮
生物地球化學循環模型計算表明，該地區海水碳、硫同位素在寒武紀早期距今5.24億年至5.14億年期間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，導致氧氣產量的快速增加；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，導致氧氣產氧量的減少。碳、硫同位素變化幅度反映了大氣和淺海中氧氣含量的變化幅度。而距今5.14 億年之後碳、硫同位素的不同步變化則反映了海水的普遍缺氧。
碳、硫同位素循環與質量平衡示意圖
綜合生物地層資料研究表明，距今5.24億年至5.14億年之間的一千萬年時間內，也就是寒武紀大爆發的高峰時期，碳、硫同位素值與氧氣產量發生的同步波動的次數和幅度，與該時期動物化石多樣性變化的次數和幅度在時間上高度吻合！換句話說，每次氧氣產量增加，動物多樣性就明顯增加，氧氣產量減少，動物多樣性則隨之降低
而在距今5.14 億年之後的大約兩百萬年間，碳、硫同位素之間的變化則是不同步的，碳同位素保持明顯的負異常，硫同位素頻繁波動，顯示海水普遍缺氧。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。
西伯利亞寒武紀早期碳、硫同位素（左）和氧氣生產量（中）與動物多樣性（右）之間的關係，顯示動物多樣性與產氧量成正比。
這一研究首次採用定量模型論證了寒武紀大爆發的幕式過程受控於大氣和海洋的氧氣含量變化，而發生在5.14 億年左右的寒武紀動物群大滅絕事件是海水缺氧造成的。
此外，該研究也從實驗方法學上證實，碳酸鹽巖中微量硫酸鹽硫同位素也可以很好地用於示蹤古代海水硫的循環。
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新聞發布會現場（王寧生提供）
該研究得到國家自然科學基金（NSFC）與英國環境研究理事會（NERC）共同資助的中英國際合作重點項目和中科院戰略先導專項（B）項目的資助。
論文信息：
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
https://www.nature.com/articles/s41561-019-0357-z
作者單位：中國科學院南京地質古生物研究所
本文由中國科學院戰略性先導科技專項（B類）「關鍵地史時期生物與環境演變過程及其機制」項目支持。