远古海洋的两次氧化事件激发了复杂生命的增加和传播

该照片(视野宽度约0.15毫米)显示了来自中国南方陡山沱地层(距今6.35亿年至5.51亿年)的保存得极为出色的真核生物化石。来自陡山沱地层的高分辨率地球化学数

该照片(视野宽度约0.15毫米)显示了来自中国南方陡山沱地层(距今6.35亿年至5.51亿年)的保存得极为出色的真核生物化石。来自陡山沱地层的高分辨率地球化学数据表明真核生物的早期分化可能与埃迪卡拉纪海洋零星的氧化事件有联系。

在6.35亿年前到5.51亿年前之间的氧气出现以及深海的氧化可能对于包括动物在内的最早的复杂生命的增加和传播有影响。

今天,我们认为氧气并没有什么特别之处。但是在距今25亿年之前的时候,地球大气层曾经几乎没有任何氧气,而且直到大约6亿年前大气的氧浓度才上升到了如今浓度的一个零头。长久以来,地质学家和进化生物学家都推测氧气的出现和其后发生的深海氧化与现代生物系统的进化有着密切的关联。

为了检验生物进化和环境变化之间的相互作用,一组来自弗吉尼亚理工大学、马里兰大学、内华达大学拉斯维加斯分校和中国科学院的科学家组成的国际研究组检查了在中国南方三峡地区陡山沱地层中保存的距今6.35亿年到5.51亿年的沉积物的地球化学和化石分布的变化。

弗吉尼亚理工大学的地球生物学博士生Kathleen A. McFadden说,很久以前,三峡地区曾经是一片古老的海洋。

弗吉尼亚理工大学的地球科学副教授肖书海说,这组科学家提出了一个问题:为了确定海洋中何时具有足够的氧用于支持动物的生存,“在那些岩石记录中应该存在什么样的地球化学证据?”

科学家假设在氧浓度较低的时候海洋中溶解了许多有机碳。如果氧浓度上升,其中一些有机碳就会氧化成无机形式,其中一些会以碳酸钙的形式保存在岩石记录中。“我们测量了古老岩石中的有机和无机碳的碳同位素特征,从而推断出氧化事件,”内华达大学拉斯维加斯分校的助理教授Ganqing Jiang说。

三峡大坝暴露出的沉积层代表了数以百万年的沉积。“我们经过每一条路堑,一个地层接一个地层地测量和描述暴露出的岩石,然后每隔大约几英尺采集小型岩石样本,” McFadden说。她采集了大约200份样本;数百份样本被送到了3个实验室中。

科学家把这些小型样本清洗干净并把它们碾成了粉末,让它们与酸反应,使碳酸盐矿物质释放出二氧化碳,然后燃烧残渣,从有机物中获取二氧化碳。“我们用质谱仪测量了释放出的二氧化碳,从而获得了岩石中存在的碳酸盐和有机碳的同位素特征,” McFadden说。

“稳定而不会随时间推移而衰变的碳12和碳13同位素的相对丰度提供了不同时代海洋中发生的环境过程的快照,它们被记录在了岩层中,” McFadden说。

碳同位素丰度的地层学模式向这组科学家提示,动物出现之前的海洋在很大程度上缺氧,但是有两次氧脉冲为海洋带来了氧。

“第一个脉冲显然对于深海中的大量有机碳贮藏几乎没有影响,但是它确实激发了微观生命形式的变化,”McFadden说。“然而,发生在大约5.5亿年前的第二次事件导致了有机碳贮藏的减少,这表明就在地球的许多最古老的动物进化和分化之前不久,海洋被充分氧化了。”

“陡山沱地层拥有绝好的化石记录,” McFadden说。“它可以让我们研究主要的化石群,它们何时出现以及何时消失,并了解氧化事件和生物群之间的关系。”

“这项研究支持了一个正在成长的观点,即生命和环境通过地球历史上的这个激烈的时期共同进化,”该研究的作者之一、马里兰大学的地球化学家Alan J. Kaufman说。

科学家分析了陡山沱地层的化石,包括从6.35亿年前的微观生命形式到约5.51亿年前的大型藻类。通过研究来自具有非常类似同位素记录的4个地点的数据,他们报告说第一个氧浓度峰值导致了微观生物的增加,其中一些微观生物被认为是最早的动物胚胎。第二个氧浓度峰值与大型复杂藻类物种显著增加的时间相符合。

“两次氧化事件看上去与陡山沱盆地化石组合的密度增加相符合,物种的数量几乎翻了一番,” McFadden说。

在这第二次氧化事件之后,在距今5.50亿年到5.42亿年之间,埃迪卡拉生物(复杂的宏观生命形式)在全世界范围内都增加了,这一事件最近被命名为阿瓦隆纪大爆发。“就是在这那个时期的化石记录中发现了最早的穿孔动物和生物矿化动物,” McFadden说。生物矿化动物是最早形成外骨骼(甲壳)的动物。

然而,触发氧化事件的因素仍然不清楚。“记录在海洋中的这些事件可能与大气中的氧与陆地沉积物的反应有关,” McFadden说。“大陆的岩石和土壤的风化可能导致某些可溶离子释放到河流中,例如硫酸盐。然后这些离子被输送到了海洋中,在那里细菌可能利用了它们,把深海中的有机碳库氧化。”





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