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    我国科学家在地球早期生物与环境协同演化研究领域取得重要进展

    日期 2018-09-05   来源:地球科学部   作者:熊巨华 宗克清  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(项目编号:41430104、41603023)等资助下,中国地质科学院地质研究所朱祥坤研究员团队与英国利兹大学Simon W. Poulton教授团队、南京大学凌洪飞教授团队合作,在地球早期环境与生命协同演化研究领域取得重大研究进展。研究成果以“Oxygenation of the Mesoproterozoic Ocean and the Evolution of Complex Eukaryotes”(中元古代古海洋氧化事件及其与复杂真核生物演化的关系)和“Coupling of Ocean Redox and Animal Evolution During the Ediacaran-Cambrian Transition”(埃迪卡拉纪•寒武纪转折期海洋氧化-还原状态与动物演化的耦合关系)为题,于近期分别发表在Nature Geoscience(《自然•地球科学》)和Nature Communications(《自然通讯》)上。论文链接分别为:https://www.nature.com/articles/s41561-018-0111-y,https://www.nature.com/articles/s41467-018-04980-5#auth-2。

      一般认为,地质历史时期一共发生过两次比较大的大气增氧事件,分别发生在距今约24-20亿年前和8-5.4亿年前。约24亿年之前,地球表面大气氧含量极低,小于现代氧气水平的0.001%;约5.4亿年前之后,大气氧含量则增长到大于现代氧气水平的20%。而距今18~8亿年前的时期一直以来被认为是地球历史上比较沉寂的时期(Boring Billion),地球表层岩石圈、大气圈、水圈和生物圈维持在近乎不变的“稳定”状态。但随着越来越多真核生物化石的发现,特别是我国燕山山脉约15.6亿年前沉积地层中最早的大型多细胞真核生物的发现,使得有关“早期真核生物演化与地表环境变化是否存在必然联系”的争论更加激烈。朱祥坤研究员及其合作者通过对燕辽盆地蓟县剖面约16-15.5亿年前的古海洋沉积碳酸盐岩开展详细的稀土元素、铁组分和碳同位素等地球化学研究工作,有效提取了当时古海水地球化学信息。发现中元古代初期碳酸盐岩样品的稀土元素配分模式无明显Ce异常,铁组分数据显示铁化(Fe2+>H2S)而非硫化(Fe2+<H2S)的水体环境,说明当时燕辽海缺氧铁化,氧化还原界面很浅。但是,~1570Ma前碳酸盐岩样品中出现Ce负异常且呈逐渐增大趋势,在氧化还原界面附近,深水中Fe2+被氧化成Fe3+造成氧化铁富集,水体中有机碳或甲烷被氧化释放出轻碳造成δ13Ccarb负漂移,说明燕辽海发生了氧化事件,氧化还原界面变深。此阶段恰好对应大型多细胞真核生物出现的层位,说明升高的氧气含量以及伴随的氧化还原界面变深为真核生物演化提供了稳定的环境支持。之后燕辽海持续进一步氧化,该阶段碳酸盐岩呈现稳定甚至更大的Ce负异常。这一重要发现改变了“18-8亿年前地球表面持续低氧”的传统认识,且再次肯定氧气在早期真核生物演化中的重要作用。

      埃迪卡拉纪晚期-寒武纪早期是后生动物起源和早期演化的关键时期,几乎现代所有动物门类在一个较短的时期内快速出现,海洋生态系统也接近现代水平,被称为“寒武纪大爆发”。这一快速生物演化事件是自达尔文1859年《物种起源》发表以来一直未解的生物进化论之谜,其与地球环境变化之间的密切相关正是破解进化论谜题的焦点之一。朱祥坤研究员及其合作者对我国扬子盆地距今约5.51-5.15亿年前沉积地层进行详细的氮同位素和碳同位素分析,发现两个同位素体系(δ15N和δ13C)之间表现出高度耦合的波动变化规律,时间上与早期后生动物的阶段性辐射和灭绝事件高度吻合。提出了埃迪卡拉纪以来海洋氮储库大幅增加,氮作为营养元素起到调节海洋初级生产力、食物链和生态系统结构的作用,进而影响海洋氧化-环境的波动与后生动物的爆发与灭绝,这项研究以氮营养元素作为立足点,提出了地球早期环境与生物协同演化的新机制,也为解答地球动物的“寒武纪大爆发”之谜提供了新视角。

      上述两项研究成果不仅有助于解决“早期生物演化与地表环境变化是否存在必然联系”的争议,而且也将激励科学家重新从不同角度探索早期地球系统演化的奥秘。




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