瓦伦西亚市
地質所與南京大學等單位合作提出距今5.51-5.15億年前生物與環境協同演化新機制
來源:地調局地質所     作者:王丹     點擊數:

2018年7月3日,《自然通訊》(Nature Communications)在線發表了中國地質調查局地質研究所朱祥坤研究員課題組、南京大學凌洪飛教授課題組與國內外其他單位的合作研究論文“埃迪卡拉紀—寒武紀轉折期海洋氧化-還原狀態與動物演化的耦合關系(Coupling of ocean redox and animal evolution during the Ediacaran-Cambrian transition)”。該成果以氮同位素為主要研究手段,發現距今約5.51-5.15億年前的埃迪卡拉紀—寒武紀轉折期海洋氧化-還原狀態呈現階段性波動變化,時間上與早期后生動物的階段性輻射和滅絕事件高度吻合。這一新的研究成果不僅有助于解決該時期古海洋氧化程度的爭議,還為解答地球動物的“寒武紀大爆發”之謎提供了新的視角,是地球生命與環境協同演化領域的一項重大研究進展。

埃迪卡拉紀晚期-寒武紀早期是后生動物起源和早期演化的關鍵時期,幾乎現代所有的動物門類在一個較短的時期內快速出現,海洋生態系統也接近現代水平,被稱為“寒武紀大爆發”。這一快速生物演化事件是自達爾文1859年《物種起源》發表以來一直未解的生物進化論之謎。目前,這一時期生物的快速演化是否與地球環境變化密切相關是破解進化論謎題的焦點之一,其中大氣和海洋的氧化狀態成為學界備受關注但存在爭議的熱點。氮(N)作為生物有機大分子(如蛋白質與核酸)的重要組成,是生命活動的重要營養元素之一,同時氮的地球化學循環與海洋的氧化還原狀態密切相關。因此,氮的地球化學循環是連接古海洋氧化還原狀態與生物演化的橋梁,可為解決上述問題提供重要證據。

基于不同氧化-還原環境中氮循環和氮同位素組成(δ15N)的差異性原理,論文作者分析、整理了華南揚子地區和哈薩克斯坦Malyi Karatau地區多個剖面上的埃迪卡拉系-寒武系地層中的碳、氮同位素數據,發現氮同位素和碳同位素組成演化曲線存在很好的耦合關系,并且碳、氮同位素的正、負漂移分別與生物的階段性輻射和滅絕事件在時間上也高度吻合(圖1)。結合前人研究結果,論文作者提出埃迪卡拉紀以來海洋氮儲庫的增加,為浮游真核藻類的繁盛提供物質條件,生物鏈與生態系統的變革最終導致海洋環境的進一步氧化,為后生動物的起源和快速演化奠定了基礎。同時,受氮等營養元素供給過剩的影響,該時期大陸架邊緣盆地發生多次大規模海水缺氧事件,導致該時期生物發生多次滅絕事件。這一最新研究成果詳細地刻畫了氮等營養元素控制、影響海洋的初級生產力和氧化-還原狀態的新機制,肯定了氧氣對于后生動物演化的重要意義,進而為科學家揭秘生物與環境協同演化提供一個新的視角。

該項研究得到國家自然科學基金、中國地質科學院科研基金、中國科學院戰略性先導科技專項(B類)、國家留學基金、中德和中英合作項目等的聯合資助,論文的第一作者為王丹博士,2015年畢業于南京大學地球科學與工程學院,現為中國地質科學院地質研究所在站博士后。

埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期(5.51-5.15億年)海洋碳、氮同位素綜合曲線與重大生物事件關系圖

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