大约5.3亿年前,正处于“寒武纪”的地球上,突然涌现了节肢、腕足、蠕形、海绵、脊索等等各式各样的生物,形成一种门类众多、物种丰富的生物大繁荣时代,然而更为古老的地层中,一直以来尚未发现这些生物的祖先化石,这一奇异的状况被古生物学家称为“寒武纪生命大爆发”。生物学家查尔斯.达尔文(Charles Robert Darwin)在《物种起源》一书中也提到了寒武纪生命大爆发,对此大惑不解,认为寒武纪生命大爆发会成为反驳进化论的一则证据。
依据查尔斯.达尔文的生物进化论,地球上的一切生物都经历了从水生到陆生、从简单到复杂、从低级到高级的发展和演变过程,这一过程是“自然选择”和“遗传变异”这两个主因所推动的,不过寒武纪众多生物的突然涌现、以及前寒武纪时期的化石证据匮乏,使得“寒武纪生命大爆发”与生物进化论不相符。对此,查尔斯.达尔文认为地质记录的不周全、以及古老地层淹没于海洋中,才让寒武纪生命大爆发显得如此“突兀”。时至今日,寒武纪生命大爆发仍是科学界的十大难题之一,它为何发生、以及发生的整个过程,古生物学家们众说纷纭、争议不断,近日,中科院的古生物学家朱茂炎和英国伦敦大学的格雷厄姆.希尔兹(Graham Shields)教授率领的国际研究团队发现,寒武纪生命大爆发与大气和海洋中的氧气含量紧密相关。
2006年,朱茂炎率领的研究团队提出了一个寒武纪生命大爆发的理论模型,发现这一时期的生物演化和灭绝,与海水中碳同位素的异常变化存有一定的关联,可这种关联的具体原因和机制并不明确。当时,朱茂炎认为俄罗斯的西伯利亚地区是解决这一难题的关键,那里的寒武纪早期地层是一整套碳酸盐沉积序列构成,残留着这一时期海水碳同位素的演变过程,加之地层中蕴藏了大量的古生物化石,使得西伯利亚地区成了理想的天然实验场。于是,朱茂炎与俄罗斯的同行们进行合作,组建一支中、俄联合研究团队,在西伯利亚地区展开了野外搜寻和研究工作,采集了众多珍贵的寒武纪早期碳酸盐岩层的样品。
此后,这一支联合研究团队进一步的扩大,来自于英国伦敦大学、兰斯卡特大学、牛津大学等等的科学家们也加入其中,他们基于地层学、以及古生物化石的研究,对采集的样品进行了碳、硫同位素实验分析,建立一个名为“生物-化学循环模型”的数学模型,该数学模型的计算发现,大约5.24亿年前至5.14亿年前,西伯利亚地区的海水碳、硫同位素发生了5次同步变化,这一变化反映了大气和海洋中氧气含量的变化。
再结合地层中古生物化石的研究,他们发现寒武纪生命大爆发的高峰时期,海水碳、硫同位素的同步变化次数和幅度,与古生物化石多样性的变化次数和幅度相吻合,而寒武纪生命大爆发之后的200万年左右,海水碳、硫同位素之间的变化不再同步,地球上发生了寒武纪生物大灭绝。朱茂炎表示,这一研究证实了寒武纪生命大爆发受控于大气和海洋中的氧气含量,氧气含量越高、寒武纪时期的生物越是丰富多彩,而氧气含量过低导致了5.14亿年前的寒武纪生物大灭绝。
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