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中国科学家参与发现寒武纪大爆发,研究发现氧

发布时间:2019-09-18 06:13编辑:生命科学浏览(52)

    中外团队合作发现氧气含量控制寒武纪大爆发过程

    作为地球上最复杂的生命,动物在大约5.4亿年前的寒武纪早期爆发式出现的观点,被越来越多的化石发现所证实。然而,百年来古生物化石发现却留给人们一个自达尔文以来一直未解的谜题,也就是大家所熟知的“寒武纪大爆发之谜”。即是什么控制着寒武纪大爆发的发生?这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。

    文章来自“科学大院”公众号

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    发生在5.4亿年前的寒武纪大爆发,是生物演化史上最重要的事件之一,现生动物的绝大多数门类在很短的时间里“突然”出现,奠定了显生宙生物演化的基础。是什么原因导致了这次大爆发?大爆发的过程又是什么样的?由中国科学院南京地质古生物研究所(以下简称南京古生物所)朱茂炎研究员和英国伦敦大学学院Graham Shields教授领导的中英俄国际合作团队,通过对西伯利亚寒武纪早期碳酸盐岩地层的碳、硫同位素研究,揭示了大气和海洋的氧气含量控制着寒武纪大爆发的过程。相关成果于5月6日在线发表在英国《自然》杂志子刊《自然-地球科学》(Nature Geoscience)。早在2006年,朱茂炎团队就提出了阶段性辐射和灭绝的寒武纪大爆发过程模型,并发现动物早期演化的阶段性辐射和灭绝过程,与海水碳同位素的异常变化存在耦合关系。但是,这种相关性之间的具体原因和机制一直不明。朱茂炎指出,俄罗斯西伯利亚是解决这一科学问题的关键地区,因为该地区的寒武纪早期地层剖面不仅化石丰富,更重要的是由一套连续的碳酸盐岩沉积序列构成,记录了该时期全球海水碳同位素的完整演化过程,从而为揭示该时期包括碳、硫同位素等海水化学变化与生物演化过程之间的相关性提供了可靠研究材料。朱茂炎团队通过与俄罗斯同行合作,于2008年在西伯利亚开展了野外工作,采集了一套珍贵的寒武纪早期碳酸盐岩地层样品。随后,由来自南京古生物所、南京大学,英国伦敦大学学院、利兹大学、兰卡斯特大学、牛津大学和俄罗斯莫斯科国立大学的科学家组成的中英俄合作团队,在详细的地层学和生物化石多样性演化研究的基础上,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。生物地球化学循环模型计算表明,该地区海水碳、硫同位素在寒武纪早期距今5.24亿年至5.14亿年期间发生了五次同步变化,其变化幅度反映了大气和浅海中氧气含量的变化幅度。而距今5.14亿年之后碳、硫同位素的不同步变化则反映了海水的普遍缺氧。综合生物地层资料研究表明,在寒武纪早期距今5.24亿年至5.14亿年之间的一千万年时间内,也就是寒武纪大爆发的高峰时期,海水碳和硫同位素值发生的同步波动的次数和幅度,与动物化石多样性变化的次数和幅度在时间上高度吻合。而在距今5.14亿年之后的大约两百万年间,碳和硫同位素之间的变化则是不同步的,碳同位素保持明显的负异常,硫同位素频繁波动。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。朱茂炎告诉《中国科学报》:“这一研究首次采用定量模型论证了动物的寒武纪大爆发的幕式过程受控于大气和海洋的氧气含量变化,而发生在距今5.14亿年左右的寒武纪动物群大灭绝事件是海水缺氧造成的。”此外,该研究也从实验方法学上证实,碳酸盐岩中微量硫酸盐硫同位素也可以很好地用于示踪古代海水硫的循环。相关论文信息:DOI:10.1038/s41561-019-0357-z图片 2

    近期,由中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎和英国伦敦大学学院教授Graham Shields领导的中英俄国际合作团队,给这一科学难题提供了新的答案。他们通过对西伯利亚寒武纪早期碳酸盐岩地层的碳、硫同位素研究,揭示了大气和海洋的氧气含量控制着寒武纪大爆发的过程。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,英国利兹大学博士何天辰为第一和通讯作者,朱茂炎和Graham Shields为共同通讯作者。

    作者:Tony

    “氧气含量是控制着寒武纪大爆发进程的最关键因素。”7日,中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎介绍说。 朱晓颖 摄

    早在2006年,朱茂炎团队就提出了阶段性辐射和灭绝的寒武纪大爆发过程模型,并发现动物早期演化的阶段性辐射和灭绝过程,与海水碳同位素的异常变化存在耦合关系。但是,这种相关性之间的具体原因和机制一直不明。

    太长不看版:

    中新网南京5月7日电 7日,中国科学院南京地质古生物研究所在南京公布,中国科学家参与研究并发现了寒武纪大爆发的“密钥”:氧气成最关键“开关”。

    俄罗斯西伯利亚是解决这一科学问题的关键地区,因为该地区的寒武纪早期地层剖面不仅化石丰富,更重要的是由一套连续的碳酸盐岩沉积序列构成,记录了该时期全球海水碳同位素的完整演化过程,从而为揭示该时期包括碳、硫同位素等海水化学变化与生物演化过程之间的相关性提供了可靠研究材料。

    5.4亿年前的寒武纪大爆发,是生物演化史上最重要的事件之一,现生动物的绝大多数门类在很短的时间里“突然”出现,奠定了显生宙生物演化的基础。是什么原因导致了这次大爆发?大爆发的过程又是什么样的?来自中英俄团队的最新研究表明,氧气含量是控制着寒武纪大爆发进程的最关键因素。相关成果于2019年5月6日在线发表在英国《自然》杂志子刊《自然-地球科学》(Nature Geoscience)。

    发生在5.4亿年前的寒武纪大爆发,是生物演化史上最重要的事件之一。现生动物的绝大多数门类在很短的时间里“突然”出现,奠定了显生宙生物演化的基础。究竟是什么控制着寒武纪大爆发的发生,这一直被科学界视为“寒武纪大爆发之谜”,也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。

    通过与俄罗斯同行合作,该团队于2008年在西伯利亚开展了野外工作,采集了一套珍贵的寒武纪早期碳酸盐岩地层样品。随后,由来自南京古生物所、南京大学,英国伦敦大学学院、利兹大学、兰卡斯特大学、牛津大学和俄罗斯莫斯科国立大学的科学家组成的中英俄合作团队,在详细的地层学和生物化石多样性演化研究的基础上,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。

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    生物地球化学循环模型计算表明,该地区海水碳、硫同位素在寒武纪早期距今5.24亿年至5.14亿年期间发生了五次同步变化。当海水碳、硫同位素同步偏重时,表明有机碳和黄铁矿埋藏量增加,导致氧气产量的快速增加;当海水碳、硫同位素同步偏轻时,表明有机碳和黄铁矿埋藏量减少,导致氧气产氧量的减少。碳、硫同位素变化幅度反映了大气和浅海中氧气含量的变化幅度。而距今5.14亿年之后碳、硫同位素的不同步变化则反映了海水的普遍缺氧。

    还好,不是灭霸!

    参加发布会的新闻记者。 朱晓颖 摄

    综合生物地层资料研究表明,在寒武纪早期距今5.24亿年至5.14亿年之间的一千万年时间内,也就是寒武纪大爆发的高峰时期,海水碳和硫同位素值发生的同步波动的次数和幅度,与动物化石多样性变化的次数和幅度在时间上高度吻合。而在距今5.14亿年之后的大约两百万年间,碳和硫同位素之间的变化则是不同步的,碳同位素保持明显的负异常,硫同位素频繁波动。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。

    动物,作为地球上最复杂的生命,并不是从一开始就在地球上生存的。在地球的46亿年历史中,大约有40亿年是没有动物存在的。

    中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎、英国伦敦大学学院教授Graham Shields领导的中英俄国际合作团队,对这一科学难题给出了新的答案。

    这一研究首次采用定量模型论证了动物的寒武纪大爆发的幕式过程受控于大气和海洋的氧气含量变化,而发生在距今5.14亿年左右的寒武纪动物群大灭绝事件是海水缺氧造成的。

    事实上,你所知道的,曾经在地球上生活过的,或者仍在地球上生活的,绝大多数的动物门类,都是在大约5.4亿年前的寒武纪早期爆发式出现的。而这,也被保存在地层中的化石记录所证实。

    “氧气含量是控制着寒武纪大爆发进程的最关键因素。”7日,朱茂炎在接受中新网记者采访时说。

    此外,该研究也从实验方法学上证实,碳酸盐岩中微量硫酸盐硫同位素也可以很好地用于示踪古代海水硫的循环。

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    朱茂炎介绍说,通过对西伯利亚采集的寒武纪早期碳酸盐岩地层样品的碳、硫同位素进行研究,中英俄国际合作团队揭示了:大气、海洋的氧气含量,控制着寒武纪大爆发的过程和规模。

    该研究得到国家自然科学基金与英国环境研究理事会共同资助的中英国际合作重点项目(41661134048)和中科院战略先导专项项目(XDB18000000,XDB26000000)的资助。

    寒武纪大爆发的代表——澄江生物群生态复原图(图片来源:杨定华绘)

    他解释说,生物地球化学循环模型计算表明,西伯利亚的海水碳、硫同位素在寒武纪早期距今5.24亿年至5.14亿年期间,发生了5次同步变化,其变化幅度反映了大气和浅海中氧气含量的变化幅度。在距今5.14亿年之后碳、硫同位素的不同步变化则反映了海水的普遍缺氧。巧合的是,同一时间内,发生了全球性寒武纪动物群的大灭绝。

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    然而,百年来的古生物化石发现,却留给我们一个自达尔文以来一直未解的谜题,也就是大家所熟知的“寒武纪大爆发之谜”。那么,究竟是什么控制着寒武纪大爆发的发生?大爆发的过程又是如何的?这也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。

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    西伯利亚勒拿河边陡峭的寒武纪早期碳酸盐岩地层剖面

    近期,由中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员和英国伦敦大学学院Graham Shields教授领导的中英俄国际合作团队,给这一科学难题提供了新的答案。

    化石 朱晓颖 摄

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    研究团队通过对西伯利亚寒武纪早期碳酸盐岩地层的碳、硫同位素研究,揭示了大气和海洋的氧气含量控制着寒武纪大爆发的过程。

    “这一研究,论证了动物的寒武纪大爆发的阶段性过程,受控于大气和海洋的氧气含量变化”,他进一步说,发生在距今5.14亿年左右的寒武纪动物群大灭绝事件,是海水缺氧造成的。

    西伯利亚寒武纪早期碳和硫同位素演化

    这一最新研究成果于2019年5月6日在线发表在英国《自然-地球科学》(Nature Geoscience)上,英国利兹大学何天辰博士为第一和通讯作者,朱茂炎和Graham Shields为共同通讯作者。

    通过综合研究,科研团队得出结论:氧气的含量的变化,控制着寒武纪大爆发的阶段性过程。

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    此次中英俄合作团队,由来自中国科学院南京地质古生物研究所、南京大学、英国伦敦大学学院、利兹大学、兰卡斯特大学、牛津大学、俄罗斯莫斯科国立大学的科学家组成。

    西伯利亚寒武纪早期碳、硫同位素和氧气生产量变化与动物多样性之间的关系

    始于发现异常

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    早在2006年,朱茂炎团队就提出了寒武纪大爆发“阶段性辐射和灭绝”的过程模型,并发现动物早期演化的阶段性辐射和灭绝过程,与海水δ13C碳同位素的异常变化存在耦合关系。但是,这种相关性之间的具体原因和机制一直不甚清楚。

    中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎在观看一块化石。 朱晓颖 摄

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    相关成果于2019年5月6日在线发表在英国《自然》杂志子刊《自然—地球科学》(Nature Geoscience)上。

    寒武纪碳同位素变化与关键生物群事件(改自朱茂炎等,2006)

    同时,也有不少研究认为,寒武纪早期的大气-海洋氧含量可能对动物早期演化产生了重要影响。但由于在这段时间内并没有氧气含量的直接记录,因此很难确定氧气到底在其中起到了多大程度的影响。

    过程柳暗花明

    寒武纪时期,中国发育了大量页岩沉积,保存了澄江生物群等多个世界知名的特异化石埋藏点,为了解寒武纪大爆发的动物演化过程提供了独一无二的证据。

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    泥质粉砂质页岩中保存的澄江生物群化石(赵方臣等,2012)

    然而,由于寒武纪时期中国缺少连续完整的碳酸盐岩沉积,研究人员很难就当时的碳同位素异常变化等问题开展深入研究。

    通过对比该时期的全球地层资料,朱茂炎等发现,俄罗斯西伯利亚地区也许可以为解决这一科学问题提供关键信息。

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    西伯利亚勒拿河边陡峭的寒武纪早期碳酸盐岩地层剖面

    西伯利亚地区的寒武纪早期地层剖面不仅化石丰富,更重要的是由一套连续的碳酸盐岩沉积构成,记录了该时期全球海水碳同位素、硫同位素等的完整演化过程,从而为揭示该时期海水化学变化与生物演化过程之间的相关性提供了可靠的研究材料。

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    科研人员在采集样品,你看到他们了吗?

    通过与俄罗斯同行合作,该团队于2008年在西伯利亚无人区开展了野外工作,采集了一套珍贵的寒武纪早期碳酸盐岩地层样品。

    随后,由来自南京古生物所、南京大学,英国伦敦大学学院、利兹大学、兰卡斯特大学、牛津大学和俄罗斯莫斯科国立大学的科学家组成的中英俄合作团队,在该地区详细的地层学和生物化石多样性演化研究的基础上,对这套样品开展了系统的无机碳同位素和硫酸盐硫同位素实验分析和数学模型计算,估算了当时大气和浅海氧气含量的变化。

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    西伯利亚寒武纪早期碳和硫同位素演化曲线

    结果令人兴奋

    生物地球化学循环模型计算表明,该地区海水碳、硫同位素在寒武纪早期距今5.24亿年至5.14亿年期间发生了五次同步变化。当海水碳、硫同位素同步偏重时,表明有机碳和黄铁矿埋藏量增加,导致氧气产量的快速增加;当海水碳、硫同位素同步偏轻时,表明有机碳和黄铁矿埋藏量减少,导致氧气产氧量的减少。碳、硫同位素变化幅度反映了大气和浅海中氧气含量的变化幅度。而距今5.14 亿年之后碳、硫同位素的不同步变化则反映了海水的普遍缺氧。

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    碳、硫同位素循环与质量平衡示意图

    综合生物地层资料研究表明,距今5.24亿年至5.14亿年之间的一千万年时间内,也就是寒武纪大爆发的高峰时期,碳、硫同位素值与氧气产量发生的同步波动的次数和幅度,与该时期动物化石多样性变化的次数和幅度在时间上高度吻合!换句话说,每次氧气产量增加,动物多样性就明显增加,氧气产量减少,动物多样性则随之降低?

    而在距今5.14 亿年之后的大约两百万年间,碳、硫同位素之间的变化则是不同步的,碳同位素保持明显的负异常,硫同位素频繁波动,显示海水普遍缺氧。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。

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    西伯利亚寒武纪早期碳、硫同位素和氧气生产量与动物多样性之间的关系,显示动物多样性与产氧量成正比。

    这一研究首次采用定量模型论证了寒武纪大爆发的幕式过程受控于大气和海洋的氧气含量变化,而发生在5.14 亿年左右的寒武纪动物群大灭绝事件是海水缺氧造成的。

    此外,该研究也从实验方法学上证实,碳酸盐岩中微量硫酸盐硫同位素也可以很好地用于示踪古代海水硫的循环。

    该研究得到国家自然科学基金与英国环境研究理事会共同资助的中英国际合作重点项目和中科院战略先导专项项目的资助。

    论文信息:

    He, T.*, Zhu, M.*, Mills, B. J.W., Wynn, P. M., Zhuravlev, A. Yu., Tostevin, R., Pogge von Strandmann, P. A. E., Yang, A., Poulton, S. W., Shields, G. A.*, 2019. Possible links between extreme oxygen perturbations and the Cambrian radiation of animals. Nature Geoscience, 10.1038/s41561-019-0357-z

    作者单位:中国科学院南京地质古生物研究所

    文章首发于科学大院,转载请联系cas@cnic.cn

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