6.3亿年前氧气剧增加速早期动物演化

　　一个由中国地质大学(北京)科研人员参与的国际研究团队最近发现，在新元古代埃迪卡拉纪动物出现前夕，地球表层的氧气含量显著增加。这项研究成果为距今约6.3亿年前成氧事件提供了新的证据，并将地球早期动物的演化与极端气候变化、生物必须的营养物质补给和海洋氧化过程紧密联系起来。

　　这一合作研究由美国内华达州立大学拉斯维加斯校区地球科学系副教授、地大(北京)客座教授蒋干清负责，地大(北京)史晓颖教授、王新强博士，内华达州立大学、加州大学河滨分校、亚利桑那州立大学以及加拿大麦吉尔大学等单位科研人员联合共同完成。最新研究成果发表于2O12年9月27日出版的《自然》杂志上。

　　在今天看来，动物呼吸需要氧气是必然的。然而在地球史上超过3/4的时间里，大气圈和海洋中的氧气含量很低，很难维持动物的生存。长期以来，地质学家和古生物学家们都推测是氧气的增加促进了早期动物演化，但一直困于没有直接证据表明在最早的动物化石出现之前，大气中的氧气有明显增加。

　　为了查证古代海水中的氧气浓度，项目组研究人员在中国国家自然科学基金、美国自然科学基金和美国航空航天局外星体生物计划的共同资助下，对我国华南地区盖帽碳酸盐之上富含有机质黑色页岩中的铁和微量金属元素含量展开了研究。

　　研究结果表明，在最早的需氧动物出现之前，Mo、V和u在岩石中的含量有一个明显的峰值。“一些生物必需的微量金属元素，尤其是Mo、V和u对海水中的氧浓度非常敏感，当海水中的自由氧浓度较高时，它们在海洋中的含量就会增加。”王新强补充说。

　　史晓颖表示，华南地区岩石样品中如此异常高的微量金属含量，可以与现代海洋沉积物中观察到的结果进行类比，显然与当时海洋一大气系统中的氧气大量增加有关，为距今6.3亿年前海洋氧化提供了确凿无疑的证据。

　　研究人员还发现，来自同一批样品的硫同位素数据同样支持海洋氧化这一观点。“这次成氧事件为早期的动物起源创造了有利的条件。”蒋干清介绍，“在海洋一大气系统中，只有在海洋环境普遍氧化的情况下，海洋微量金属元素的储库才有可能达到接近现代的水平。”

　　研究团队把这次氧气的增加归因于大量的有机碳埋藏。据蒋干清介绍，光合作用是最有效的产氧过程，在这个过程中每产生1摩尔的有机碳，同时释放1摩尔的氧气;大量有机碳经过快速埋藏进入沉积物中，就会有大量的自由氧进入海洋一大气系统，导致氧气含量显著上升。

　　为什么这个时期会有大量的有机碳埋藏?研究人员查阅了长期的气候记录。在复杂的动物出现之前，地球经历了最严重的冰川作用，冰盖甚至扩展到赤道地区，也就是我们常说的“雪球地球”，这个假说认为当时整个海洋完全被冰层覆盖。冰川消融以后，陆上风化作用增强，大量的营养物质输入海洋，启动了有机碳埋藏和成氧的正反馈作用。微量金属，特别是Mo，除了是一种重要的氧化还原环境的指示剂外，同时也是光合作用过程中生物有效固氮的必要元素。海洋中Mo含量的提高有利于缓解N压力，促进大量有机质的埋藏和氧气的释放。

　　“海洋氧化的地质记录比华南地区最早的动物化石稍早一点，为生物与环境的协同演化提供了很好的解释。”王新强说，“华南地区发现的宏体蓝田生物群来自深水环境，前人的许多研究认为当时的深海并没有氧化，如果这种推测属实，就很难解释这些宏体生物的出现;而这一研究无疑会有利于深刻理解生物事件与环境事件的自然序列。”

　　研究人员表示，这项新发现终于打破了坚冰，为早期生命进化趋势和地球表层系统过程演化之间建立了因果关系，为研究早期动物起源及认识此后的海洋氧化还原环境演变打开了一扇新的窗户。同时，华南地区岩石记录中微量金属元素含量的巨大变化，将使地质学家重新思考以前对古海洋的认识，促使对这一时期的古海洋环境的进一步研究。