探索埃迪卡拉纪-寒武纪过渡时期的生物秘密

摘要:

在漫长的46亿年地质历史时期,生命从出现到分化,然后到灭绝,再到重生,起伏不断,并且伴随着地球上各种重大环境转变。从上个世纪开始,“地球生命的产生”的科学命题就被全球科学家所关注,近几十年来获得了很多新认识,但也争议不断,其中“地球生命在何处产生、如何产生”还被 Science 杂志列为125个最具挑战的科学问题之一。

埃迪卡拉纪-寒武纪过渡时期:地球动物起源与快速分化

从埃迪卡拉纪早期到寒武纪早期约1.2亿年内,地球发生了一系列特殊的地质事件,包括最后一次雪球事件的结束、罗迪尼亚超大陆的裂解、大量低纬度边缘海的形成以及全球古海洋地球化学成分的剧烈波动。在这一时期,埃迪卡拉纪生物事件和寒武纪生命大爆发见证了地球动物的起源和快速分化,几乎所有能保存在地层记录里的现生动物门类的祖先,在寒武纪早期短短2000多万年时间内涌现了出来。

寒武纪生命大爆发时期的清江动物群(图片来源:西北大学)

关于埃迪卡拉纪生物事件和寒武纪生命大爆发的背后原因还有争议,这一时期的动物革新主要体现在体积大型化、骨骼化、可捕食性和可移动性等等,这种宏体动物的出现对代谢能量有要求,可能指示了当时海水的氧化还原条件发生了变化。前人研究发现,在新元古代到早寒武世这一时期,全球海洋的氧化还原条件可能发生了根本性的变化,这次事件叫做新元古代大氧化事件,但是不同的氧化还原指标指示的海水氧化还原结构并不一致。

除了氧气以外,营养和食物的供给对于复杂生命的出现和生长也是必须的。实验和模拟发现,营养元素供给增加(比如氮)有利于产生体积更大的初级生产者,比如真核藻类,而这些初级生产者的出现又会推动早期动物的演化。真核生物中的藻类和动物,不能直接利用大气中的N2,只能依靠海水供给的生物可利用氮,比如硝酸盐和溶解有机氮。因此评估当时生物栖息地的氮供给情况有利于理解动物演化和环境之间的因果关系。

氮同位素:揭示生物与海洋的协同演化

华南扬子地区保存了世界上从埃迪卡拉纪到寒武纪最完整的地层记录之一,这些地层含有丰富的生物化石,为研究埃迪卡拉纪-寒武纪过渡时期的生物演化提供了很好的素材。

华南宜昌地区的寒武系地层,里面富含海绵、三叶虫等动物化石(图片来源:中国科学院地质与地球物理研究所)

氮既是生命必须的宏量营养元素,又是氧化还原敏感元素。为了更好地重建埃迪卡拉纪-寒武纪过渡时期海水的氧化还原结构、生物可利用氮的供给情况与生物演化之间的关系,中国科学院地质与地球物理研究所的科研人员,与加州大学河滨分校、圣安德鲁斯大学、弗吉尼亚理工大学和亚利桑那州立大学的科研人员进行合作,通过分析中国华南扬子海埃迪卡拉纪到寒武纪早期沉积物的氮同位素,系统论证了当时扬子海生物与海洋氮循环的协同演化关系。

研究人员发现当时海洋的氧化还原结构跟现在的不一样,总体为氧化还原上下分层。根据埃迪卡拉纪扬子海氮同位素的盆地梯度,他们提出研究区,即上扬子斜坡地区,可能缺氧上升流发育,氧化还原界面较高,表面硝酸盐储库被还原消耗得最明显。尽管如此,表层水体依然存在生物可利用硝酸盐。

到了寒武纪第二期末期镍钼多金属层附近,华南氮同位素值下降到最低,结合沉积物中的碳氮关系,研究人员提出当时扬子海氧化还原界面可能在透光区内部,深部水体铵NH4+上涌导致NH4+不完全吸收利用,而溶解NH4+的形成可能跟硫酸盐还原有机质厌氧氧化有关。

该研究表明,在埃迪卡拉纪,扬子海的氧化还原界面可能在透光区底界附近。丰富的硝酸盐供给促进了埃迪卡拉纪宏体多细胞藻类的演化,浅水的氧化条件给多细胞动物提供了很好的生存环境。到了寒武纪第二期末期,扬子海氧化还原界面可能透光区内部,较浅的氧化还原界面可能跟华南小壳动物群灭绝有关。

上述工作得到国家自然科学基金委、美国国家科学基金会和美国国家航空航天局等项目的联合资助,研究成果已发表在《地球化学与宇宙化学学报》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)。

埃迪卡拉纪-寒武纪过渡时期扬子地区的氮循环模式示意图(图片来源:中国科学院地质与地球物理研究所)

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