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探索埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期的生物祕密

http://finance.sina.com   2019年10月09日 18:31   

  來源:中科院之聲

  在漫長的46億年地質歷史時期,生命從出現到分化,然後到滅絕,再到重生,起伏不斷,並且伴隨着地球上各種重大環境轉變。從上個世紀開始,“地球生命的產生”的科學命題就被全球科學家所關注,近幾十年來獲得了很多新認識,但也爭議不斷,其中“地球生命在何處產生、如何產生”還被 Science 雜誌列爲125個最具挑戰的科學問題之一。

  埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期:地球動物起源與快速分化

  從埃迪卡拉紀早期到寒武紀早期約1.2億年內,地球發生了一系列特殊的地質事件,包括最後一次雪球事件的結束、羅迪尼亞超大陸的裂解、大量低緯度邊緣海的形成以及全球古海洋地球化學成分的劇烈波動。在這一時期,埃迪卡拉紀生物事件和寒武紀生命大爆發見證了地球動物的起源和快速分化,幾乎所有能保存在地層記錄裏的現生動物門類的祖先,在寒武紀早期短短2000多萬年時間內涌現了出來。

寒武紀生命大爆發時期的清江動物羣(圖片來源:西北大學)寒武紀生命大爆發時期的清江動物羣(圖片來源:西北大學)

  關於埃迪卡拉紀生物事件和寒武紀生命大爆發的背後原因還有爭議,這一時期的動物革新主要體現在體積大型化、骨骼化、可捕食性和可移動性等等,這種宏體動物的出現對代謝能量有要求,可能指示了當時海水的氧化還原條件發生了變化。前人研究發現,在新元古代到早寒武世這一時期,全球海洋的氧化還原條件可能發生了根本性的變化,這次事件叫做新元古代大氧化事件,但是不同的氧化還原指標指示的海水氧化還原結構並不一致。

  除了氧氣以外,營養和食物的供給對於複雜生命的出現和生長也是必須的。實驗和模擬發現,營養元素供給增加(比如氮)有利於產生體積更大的初級生產者,比如真核藻類,而這些初級生產者的出現又會推動早期動物的演化。真核生物中的藻類和動物,不能直接利用大氣中的N2,只能依靠海水供給的生物可利用氮,比如硝酸鹽和溶解有機氮。因此評估當時生物棲息地的氮供給情況有利於理解動物演化和環境之間的因果關係。

  氮同位素:揭示生物與海洋的協同演化

  華南揚子地區保存了世界上從埃迪卡拉紀到寒武紀最完整的地層記錄之一,這些地層含有豐富的生物化石,爲研究埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期的生物演化提供了很好的素材。

華南宜昌地區的寒武系地層,裏面富含海綿、三葉蟲等動物化石(圖片來源:中國科學院地質與地球物理研究所)華南宜昌地區的寒武系地層,裏面富含海綿、三葉蟲等動物化石(圖片來源:中國科學院地質與地球物理研究所)

  氮既是生命必須的宏量營養元素,又是氧化還原敏感元素。爲了更好地重建埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期海水的氧化還原結構、生物可利用氮的供給情況與生物演化之間的關係,中國科學院地質與地球物理研究所的科研人員,與加州大學河濱分校、聖安德魯斯大學、弗吉尼亞理工大學和亞利桑那州立大學的科研人員進行合作,通過分析中國華南揚子海埃迪卡拉紀到寒武紀早期沉積物的氮同位素,系統論證了當時揚子海生物與海洋氮循環的協同演化關係。

  研究人員發現當時海洋的氧化還原結構跟現在的不一樣,總體爲氧化還原上下分層。根據埃迪卡拉紀揚子海氮同位素的盆地梯度,他們提出研究區,即上揚子斜坡地區,可能缺氧上升流發育,氧化還原界面較高,表面硝酸鹽儲庫被還原消耗得最明顯。儘管如此,表層水體依然存在生物可利用硝酸鹽。

  到了寒武紀第二期末期鎳鉬多金屬層附近,華南氮同位素值下降到最低,結合沉積物中的碳氮關係,研究人員提出當時揚子海氧化還原界面可能在透光區內部,深部水體銨NH4+上涌導致NH4+不完全吸收利用,而溶解NH4+的形成可能跟硫酸鹽還原有機質厭氧氧化有關。

  該研究表明,在埃迪卡拉紀,揚子海的氧化還原界面可能在透光區底界附近。豐富的硝酸鹽供給促進了埃迪卡拉紀宏體多細胞藻類的演化,淺水的氧化條件給多細胞動物提供了很好的生存環境。到了寒武紀第二期末期,揚子海氧化還原界面可能透光區內部,較淺的氧化還原界面可能跟華南小殼動物羣滅絕有關。

  上述工作得到國家自然科學基金委、美國國家科學基金會和美國國家航空航天局等項目的聯合資助,研究成果已發表在《地球化學與宇宙化學學報》上(Chen Y, Diamond C W, Stüeken E E, et al。 Coupled evolution of nitrogen cycling and redoxcline dynamics on the Yangtze Block across the Ediacaran-Cambrian transition[J]。 Geochimica et Cosmochimica Acta, 2019, 257: 243-265。 doi: 10.1016/j.gca.2019.05.017)。

埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期揚子地區的氮循環模式示意圖(圖片來源:中國科學院地質與地球物理研究所)埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期揚子地區的氮循環模式示意圖(圖片來源:中國科學院地質與地球物理研究所)
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