中国科学家为寒武纪生命大爆发添新解 曾难倒达尔文

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新京报




距今约5.4亿年前的寒武纪早期，地球上最复杂的生命动物“爆发式”出现，这一现象被越来越多的化石发现所证实。但为什么会出现寒武纪生命大爆发、爆发的过程又是怎样的？这一直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。



西伯利亚地区5.2亿年前的海绵动物礁（地球上最早的动物礁）。受访者供图


近期，由中国科学院南京地质古生物研究所参与领导的中英俄国际合作团队，为这一科学难题提供了新的答案。合作团队通过研究西伯利亚寒武纪早期碳酸盐岩地层的碳、硫同位素，得出结论：大气和海洋的氧气含量控制着寒武纪大爆发的过程，氧气含量的大幅增加，直接导致寒武纪早期生物种类“井喷”。

这一最新研究成果于5月6日在线发表在英国《自然-地球科学》（Nature Geoscience）上。

悬案

大爆发曾经困惑达尔文

寒武纪生命大爆发被称为古生物学和地质学上的一大悬案。

地球诞生于46亿年前，寒武纪距今约5.42亿年—4.85亿年。地球历史的前40亿年中，生命一直以简单和微体的形式存在，演化缓慢，几乎没有留下肉眼可见的痕迹。到了5.4亿年前的寒武纪时期，大家熟悉的、复杂多样的动物各种门类（节肢动物、软体动物、腕足动物、环节动物和原始的脊椎动物等）突然在2000万年间大量涌现，奠定了显生宙动物世界的基础。科学家们将这一变化称之为“寒武纪生命大爆发”。

达尔文在《物种起源》中提到了这一事实，并百思不得其解。因为按照达尔文进化论，生物进化经历了从水生到陆地、从简单到复杂、从低级到高级的漫长演变过程。寒武纪大爆发显然和达尔文的理论不匹配。达尔文同时解释称，寒武纪的动物祖先一定来自前寒武纪动物，是经过很长时间的进化过程产生的，只是因为地质纪录不完全或是老地层淹没在海洋中的缘故无法证实。因此有观点认为，寒武纪生命爆发是一种假象。

中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎告诉新京报记者，上世纪80年代以来，随着越来越多化石被发现，人们更倾向于认为寒武纪大爆发是真实事件。但是，寒武纪大爆发为何发生、爆发的过程又是怎样的？“有观点猜测，氧气控制了复杂生命的出现，但如何控制、有什么证据？我们通过高精度的地球化学研究数据发现，海洋中氧气增多时，物种数量明显增加。”

谈起这次研究的起源，朱茂炎介绍，2005年南京召开了第四届国际寒武纪地质大会，会后他们总结了寒武纪的年代表、生物演化和环境研究，同时编制了一条寒武纪全球海水碳同位素演化曲线。结果发现，这条曲线与全球生物演化的阶段性是对应的，海水碳同位素正异常对应的是动物大爆发阶段，负异常对应的是动物灭绝阶段。“但这种关联的具体原因和机制一直不明。我们觉得这与生物氧化有关系，但到底是什么驱动了生物利用碳的过程？这是多年来，我们想探究的答案。”



西伯利亚勒拿河边，陡峭的寒武纪早期碳酸盐岩地层剖面。图/中国科学院南京地质古生物研究所官网

寻觅

赴西伯利亚无人区采集地层样品

朱茂炎介绍，浅水海洋中沉积的碳酸盐岩（石灰岩）能记录海水碳同位素信息，是调查很好的切入口。我国华南地区虽有很多化石，但寒武纪早期地质地层不完全是石灰岩，还包括磷矿和砂岩等，不能完整记录海水碳同位素信息。

因此，研究人员将目光投到解题关键地区——俄罗斯西伯利亚。当地的寒武纪早期地层剖面不仅化石丰富，而且全部由碳酸盐岩构成，完整记录了该时期全球海水碳同位素的演化过程。

2008年，研究团队与俄罗斯同行合作，在西伯利亚开展野外工作。沧海桑田，5亿年前在海洋中沉积的岩层如今已暴露地表。沿着勒拿河，在一片无人区的陡峭悬崖边，研究人员采集了一套珍贵的寒武纪早期碳酸盐岩地层样品。

从数百米厚的地层中采集的几百块样本被带回中国，按照时间序列和厚度序列累积起来，研究人员得以研究寒武纪大爆发的古海水变化。

为了解当时碳同位素的变化原因，研究团队还必须分析当时海水的硫同位素变化。

朱茂炎说，碳同位素的实验方法已经很成熟，但当时硫同位素实验分析在国际上一直有争议，有观点担心实验过程有误差，得不到准确结果。“德国一个实验室表示可以进行实验，但每个样品要接近两公斤才能得到可靠结果。当时我们的采样很小，每个只有几百克，所以必须改进试验方法才能完成研究。”

为此，通过中英合作，课题组将研究生何天辰（此次研究成果的第一作者和通讯作者）送往英国联合培养。经过多年努力，研究人员改进了硫同位素分析的实验方法，只要10克样品就能得到可靠结果。课题组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。


寒武纪早期的西伯利亚，碳、硫同位素变化和产氧量变化与动物多样性之间的关系。受访者供图


结论

大爆发受控于大气和海洋的氧气含量

朱茂炎介绍，西伯利亚地区海水碳、硫同位素在寒武纪早期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，导致氧气产氧量减少。也就是说，碳、硫同位素的变化反映了大气和浅海中氧气含量的变化。

研究人员发现，在寒武纪大爆发高峰时期，海水碳和硫同位素值发生的同步波动次数及幅度，与动物化石多样性变化的次数及幅度在时间上高度吻合。“氧气多了，生物多样性就多了，物种数量明显增加。五次变化中，西伯利亚的物种最多时增加到300多种。”

而在距今5.14 亿年之后的大约200万年间，碳和硫同位素间的变化并不同步，反映了海水普遍缺氧。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。

朱茂炎说，这一研究首次采用定量模型论证了动物的寒武纪大爆发过程受控于大气和海洋的氧气含量变化。

目前，寒武纪大爆发仍有多道谜题等待科学家解答。在朱茂炎看来，生物演化和环境相互作用，不同学科的研究人员应一起探讨“解题”，共享实验方法和思想。“要推动多学科交叉，研究古生物、地球化学、地球物理、现代生物学的学者要坐在一起，破解寒武纪大爆发的谜题。”

多知道一点

云南澄江生物群与寒武纪大爆发

了解寒武纪大爆发，就必须提及中国云南澄江生物群。它与加拿大布尔吉斯生物群和凯里生物群构成世界三大页岩型生物群，为寒武纪的地质历史时期的生命大爆发提供证据。

1984年7月1日，中国科学院南京地质古生物研究所研究员侯先光在帽天山发现一块化石，敲开了发现澄江动物群的大门。这块长尾纳罗虫化石是难得一见的软体组织化石，首次清晰展现出距今5.3亿年前的海洋动物世界的真实面貌。澄江动物群的发现，使其所在地——云南省玉溪市澄江县声誉鹊起。

原始的生命非常脆弱，大部分没有硬化骨骼，仅由软组织组成。这些生命一旦死亡，极容易化为乌有。而澄江动物群的各类动物化石却保存精美、举世罕见，这正是它的珍贵之处。此后，我国南京、西安、昆明、北京等地的古生物学家先后对澄江动物群进行了多次大规模采集。

澄江动物群主要由多门类的无脊椎动物化石组成，门类丰富。这座“化石宝库”充分显示出寒武纪早期生物的多样性，将绝大多数现生动物门类的演化历史追溯到寒武纪开始，为揭示生物“寒武纪大爆发”的奥秘提供了珍贵证据，在国际上被誉为“二十世纪最惊人的科学发现之一”。