氧氣與動物早期進化的繁榮與蕭條有關

倫敦大學學院和利茲大學領導的一項新研究發(fā)現，大氣氧水平的極端波動與寒武紀爆發(fā)期間動物生物多樣性的進化激增和滅絕相對應。

寒武紀爆炸是大約5.4億年前開始的復雜動物快速進化的關鍵時期。動物生命早期階段中這一基本階段的觸發(fā)因素是正在進行的生物學辯論的主題。

來自英國，中國和俄羅斯的科學家今天發(fā)表在《自然地球科學》上的這項研究為大氣中氧氣含量是動物進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，在寒武紀爆炸期間，氧氣水平的激增與動物進化和生物多樣性的爆發(fā)以及低氧時期的滅絕事件之間存在顯著的相關性。

利茲大學的研究主要作者和博士后研究員何天辰博士在UCL期間就開始了這項研究。他說：“寒武紀爆炸期間產生的復雜生物是我們今天看到的許多現代動物的先驅。但是由于在這段時間內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化的關鍵點。

“通過分析古巖石中發(fā)現的碳和硫同位素，我們能夠追蹤寒武紀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化輻射遵循一種模式的“繁榮與蕭條”與氧氣水平齊頭并進。

“這強烈表明氧氣在動物早期生命中起著至關重要的作用。”

該研究的合著者來自UCL地球科學學院的格雷厄姆·希爾茲教授說：“這是第一項清楚表明我們最早的動物祖先經歷過一系列進化輻射和瓶頸的實驗，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。

“其結果是在寒武紀超過1300萬年的時間里，確實出現了新動物形式的爆炸。在那時，地球已從簡單，單細胞和不活動的生物繁殖到擁有各種錯綜復雜，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。在寒武紀爆炸期間，該地區(qū)原本是淺海，是地球上大多數動物生活的家園。

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生有關，這使研究小組能夠確定寒武紀期間淺海和大氣中的氧氣含量。

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

“將同位素測量結果與數學模型結合起來，我們可以跟蹤進入這個關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生和破壞的全球平衡，從而使我們對氧氣如何產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院南京地質與古生物研究所的朱Mao巖說：“了解引發(fā)寒武紀爆炸的原因需要多學科研究。這就是為什么與Graham Shields一起組織了這樣一個由NERC和NSFC資助的多學科團隊的原因。過去的幾年。我對通過這個合作項目所取得的成果感到非常興奮。”

“另一方面，獲得此結果花了很長時間。我們已經在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。我們花了一些時間來組織探險隊并在那里收集樣本。來自俄羅斯同事的支持，我們無法完成該項目。”

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