氧氣與動物早期進(jìn)化的繁榮與蕭條有關(guān)

倫敦大學(xué)學(xué)院和利茲大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，大氣氧水平的極端波動與寒武紀(jì)爆發(fā)期間動物生物多樣性的進(jìn)化激增和滅絕相對應(yīng)。

寒武紀(jì)爆炸是大約5.4億年前開始的復(fù)雜動物快速進(jìn)化的關(guān)鍵時(shí)期。動物生命早期階段中這一基本階段的觸發(fā)因素是正在進(jìn)行的生物學(xué)辯論的主題。

來自英國，中國和俄羅斯的科學(xué)家今天發(fā)表在《自然地球科學(xué)》上的這項(xiàng)研究為大氣中氧氣含量是動物進(jìn)化的主要控制因素這一理論提供了有力的支持。

該研究首次表明，在寒武紀(jì)爆炸期間，氧氣水平的激增與動物進(jìn)化和生物多樣性的爆發(fā)以及低氧時(shí)期的滅絕事件之間存在顯著的相關(guān)性。

利茲大學(xué)的研究主要作者和博士后研究員何天辰博士在UCL期間就開始了這項(xiàng)研究。他說：“寒武紀(jì)爆炸期間產(chǎn)生的復(fù)雜生物是我們今天看到的許多現(xiàn)代動物的先驅(qū)。但是由于在這段時(shí)間內(nèi)沒有直接記錄大氣中的氧氣，因此很難確定可能的因素開始了進(jìn)化的關(guān)鍵點(diǎn)。

“通過分析古巖石中發(fā)現(xiàn)的碳和硫同位素，我們能夠追蹤寒武紀(jì)爆炸期間地球大氣和淺海中的氧氣變化。與同期的化石動物相比，我們可以清楚地看到進(jìn)化輻射遵循一種模式的“繁榮與蕭條”與氧氣水平齊頭并進(jìn)。

“這強(qiáng)烈表明氧氣在動物早期生命中起著至關(guān)重要的作用。”

該研究的合著者來自UCL地球科學(xué)學(xué)院的格雷厄姆·希爾茲教授說：“這是第一項(xiàng)清楚表明我們最早的動物祖先經(jīng)歷過一系列進(jìn)化輻射和瓶頸的實(shí)驗(yàn)，這些輻射和瓶頸是由于大氣中氧氣水平的極端變化而引起的。

“其結(jié)果是在寒武紀(jì)超過1300萬年的時(shí)間里，確實(shí)出現(xiàn)了新動物形式的爆炸。在那時(shí)，地球已從簡單，單細(xì)胞和不活動的生物繁殖到擁有各種錯綜復(fù)雜，充滿活力的生命我們今天看到的表格。”

該小組分析了從西伯利亞Aldan河和Lena河沿岸部分收集的海洋碳酸鹽樣品中的碳和硫同位素。在寒武紀(jì)爆炸期間，該地區(qū)原本是淺海，是地球上大多數(shù)動物生活的家園。

西伯利亞的下寒武統(tǒng)地層由具有豐富化石記錄和可靠年齡限制的連續(xù)灰?guī)r組成，為地球化學(xué)分析提供了合適的樣本。巖石中的同位素特征與全球氧氣的產(chǎn)生有關(guān)，這使研究小組能夠確定寒武紀(jì)期間淺海和大氣中的氧氣含量。

這項(xiàng)研究的合著者來自利茲大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院的本杰明·米爾斯博士說：“西伯利亞平臺為我們提供了進(jìn)入早期海洋生態(tài)系統(tǒng)的獨(dú)特窗口。該地區(qū)包含了目前來自寒武紀(jì)爆炸的所有已知化石多樣性的一半以上。

“將同位素測量結(jié)果與數(shù)學(xué)模型結(jié)合起來，我們可以跟蹤進(jìn)入這個關(guān)鍵的演化搖籃的碳和硫的脈沖。我們的模型利用這些信息來估算氧氣產(chǎn)生和破壞的全球平衡，從而使我們對氧氣如何產(chǎn)生新的見解改變了我們今天星球上的生活。”

該研究的合著者來自中國科學(xué)院南京地質(zhì)與古生物研究所的朱Mao巖說：“了解引發(fā)寒武紀(jì)爆炸的原因需要多學(xué)科研究。這就是為什么與Graham Shields一起組織了這樣一個由NERC和NSFC資助的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)的原因。過去的幾年。我對通過這個合作項(xiàng)目所取得的成果感到非常興奮。”

“另一方面，獲得此結(jié)果花了很長時(shí)間。我們已經(jīng)在2008年從西伯利亞獲得了樣本。西伯利亞的部分地區(qū)很難到達(dá)。我們花了一些時(shí)間來組織探險(xiǎn)隊(duì)并在那里收集樣本。來自俄羅斯同事的支持，我們無法完成該項(xiàng)目。”

這項(xiàng)研究的合著者來自莫斯科羅蒙諾索夫國立大學(xué)的安德烈·于·朱拉夫列夫(Andrey Yu Zhuravlev)說：“這是一項(xiàng)令人難以置信的成功和令人興奮的聯(lián)合研究。多年來，寒武紀(jì)爆炸觸發(fā)問題一直困擾著科學(xué)家們。動物的快速出現(xiàn)以及在寒武紀(jì)早期氧氣的大量滅絕。”