在漫長(zhǎng)的46億年地質(zhì)歷史時(shí)期，生命從出現(xiàn)到分化，然后到滅絕，再到重生，起伏不斷，并且伴隨著地球上各種重大環(huán)境轉(zhuǎn)變。從上個(gè)世紀(jì)開始，“地球生命的產(chǎn)生”的科學(xué)命題就被全球科學(xué)家所關(guān)注，近幾十年來獲得了很多新認(rèn)識(shí)，但也爭(zhēng)議不斷，其中“地球生命在何處產(chǎn)生、如何產(chǎn)生”還被 Science 雜志列為125個(gè)最具挑戰(zhàn)的科學(xué)問題之一。

　　埃迪卡拉紀(jì)-寒武紀(jì)過渡時(shí)期：地球動(dòng)物起源與快速分化

　　從埃迪卡拉紀(jì)早期到寒武紀(jì)早期約1.2億年內(nèi)，地球發(fā)生了一系列特殊的地質(zhì)事件，包括最后一次雪球事件的結(jié)束、羅迪尼亞超大陸的裂解、大量低緯度邊緣海的形成以及全球古海洋地球化學(xué)成分的劇烈波動(dòng)。在這一時(shí)期，埃迪卡拉紀(jì)生物事件和寒武紀(jì)生命大爆發(fā)見證了地球動(dòng)物的起源和快速分化，幾乎所有能保存在地層記錄里的現(xiàn)生動(dòng)物門類的祖先，在寒武紀(jì)早期短短2000多萬(wàn)年時(shí)間內(nèi)涌現(xiàn)了出來。

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寒武紀(jì)生命大爆發(fā)時(shí)期的清江動(dòng)物群

　　關(guān)于埃迪卡拉紀(jì)生物事件和寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的背后原因還有爭(zhēng)議，這一時(shí)期的動(dòng)物革新主要體現(xiàn)在體積大型化、骨骼化、可捕食性和可移動(dòng)性等等，這種宏體動(dòng)物的出現(xiàn)對(duì)代謝能量有要求，可能指示了當(dāng)時(shí)海水的氧化還原條件發(fā)生了變化。前人研究發(fā)現(xiàn)，在新元古代到早寒武世這一時(shí)期，全球海洋的氧化還原條件可能發(fā)生了根本性的變化，這次事件叫做新元古代大氧化事件，但是不同的氧化還原指標(biāo)指示的海水氧化還原結(jié)構(gòu)并不一致。

　　除了氧氣以外，營(yíng)養(yǎng)和食物的供給對(duì)于復(fù)雜生命的出現(xiàn)和生長(zhǎng)也是必須的。實(shí)驗(yàn)和模擬發(fā)現(xiàn)，營(yíng)養(yǎng)元素供給增加(比如氮)有利于產(chǎn)生體積更大的初級(jí)生產(chǎn)者，比如真核藻類，而這些初級(jí)生產(chǎn)者的出現(xiàn)又會(huì)推動(dòng)早期動(dòng)物的演化。真核生物中的藻類和動(dòng)物，不能直接利用大氣中的N2，只能依靠海水供給的生物可利用氮，比如硝酸鹽和溶解有機(jī)氮。因此評(píng)估當(dāng)時(shí)生物棲息地的氮供給情況有利于理解動(dòng)物演化和環(huán)境之間的因果關(guān)系。

　　氮同位素：揭示生物與海洋的協(xié)同演化

　　華南揚(yáng)子地區(qū)保存了世界上從埃迪卡拉紀(jì)到寒武紀(jì)最完整的地層記錄之一，這些地層含有豐富的生物化石，為研究埃迪卡拉紀(jì)-寒武紀(jì)過渡時(shí)期的生物演化提供了很好的素材。

華南宜昌地區(qū)的寒武系地層，里面富含海綿、三葉蟲等動(dòng)物化石

　　氮既是生命必須的宏量營(yíng)養(yǎng)元素，又是氧化還原敏感元素。為了更好地重建埃迪卡拉紀(jì)-寒武紀(jì)過渡時(shí)期海水的氧化還原結(jié)構(gòu)、生物可利用氮的供給情況與生物演化之間的關(guān)系，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的科研人員，與加州大學(xué)河濱分校、圣安德魯斯大學(xué)、弗吉尼亞理工大學(xué)和亞利桑那州立大學(xué)的科研人員進(jìn)行合作，通過分析中國(guó)華南揚(yáng)子海埃迪卡拉紀(jì)到寒武紀(jì)早期沉積物的氮同位素，系統(tǒng)論證了當(dāng)時(shí)揚(yáng)子海生物與海洋氮循環(huán)的協(xié)同演化關(guān)系。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)海洋的氧化還原結(jié)構(gòu)跟現(xiàn)在的不一樣，總體為氧化還原上下分層。根據(jù)埃迪卡拉紀(jì)揚(yáng)子海氮同位素的盆地梯度，他們提出研究區(qū)，即上揚(yáng)子斜坡地區(qū)，可能缺氧上升流發(fā)育，氧化還原界面較高，表面硝酸鹽儲(chǔ)庫(kù)被還原消耗得最明顯。盡管如此，表層水體依然存在生物可利用硝酸鹽。

　　到了寒武紀(jì)第二期末期鎳鉬多金屬層附近，華南氮同位素值下降到最低，結(jié)合沉積物中的碳氮關(guān)系，研究人員提出當(dāng)時(shí)揚(yáng)子海氧化還原界面可能在透光區(qū)內(nèi)部，深部水體銨NH4+上涌導(dǎo)致NH4+不完全吸收利用，而溶解NH4+的形成可能跟硫酸鹽還原有機(jī)質(zhì)厭氧氧化有關(guān)。

　　該研究表明，在埃迪卡拉紀(jì)，揚(yáng)子海的氧化還原界面可能在透光區(qū)底界附近。豐富的硝酸鹽供給促進(jìn)了埃迪卡拉紀(jì)宏體多細(xì)胞藻類的演化，淺水的氧化條件給多細(xì)胞動(dòng)物提供了很好的生存環(huán)境。到了寒武紀(jì)第二期末期，揚(yáng)子海氧化還原界面可能透光區(qū)內(nèi)部，較淺的氧化還原界面可能跟華南小殼動(dòng)物群滅絕有關(guān)。

　　上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)國(guó)家航空航天局等項(xiàng)目的聯(lián)合資助，研究成果已發(fā)表在《地球化學(xué)與宇宙化學(xué)學(xué)報(bào)》上(Chen Y， Diamond C W， Stüeken E E， et al。 Coupled evolution of nitrogen cycling and redoxcline dynamics on the Yangtze Block across the Ediacaran-Cambrian transition[J]。 Geochimica et Cosmochimica Acta， 2019， 257： 243-265。 doi： 10.1016/j.gca.2019.05.017)。

埃迪卡拉紀(jì)-寒武紀(jì)過渡時(shí)期揚(yáng)子地區(qū)的氮循環(huán)模式示意圖

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