寒武紀(jì)為什么生命大爆發(fā)？科學(xué)家可能找到了答案

圖蟲創(chuàng)意

寒武紀(jì)生命大爆發(fā)是指在距今5.4-5.18億年寒武紀(jì)早期，在占生命演化歷史不到0.5%的2000多萬年里，發(fā)生的一次生物多樣性急劇增加的事件。在這一時期，地球上首次出現(xiàn)了大量具有硬體外殼和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多細(xì)胞生物，這些生物在相對較短的時間內(nèi)迅速演化并占據(jù)了主導(dǎo)地位。這些動物門類在此后的時間里逐漸演化和發(fā)展，形成了今天地球上豐富多樣的生物世界。

長期以來，寒武紀(jì)生命大爆發(fā)被稱為“生命演化歷史上的懸案”，著名的古生物學(xué)家達(dá)爾文就對這一現(xiàn)象百思不得其解。因為在他所處的那個時代，化石記錄并不完全，缺乏寒武紀(jì)之前的化石證據(jù)。

當(dāng)時達(dá)爾文在物種起源中提出的進(jìn)化論認(rèn)為生物都是逐步演化的，而寒武紀(jì)早期短時間內(nèi)呈現(xiàn)出的多門類生物同時演化的現(xiàn)象似乎不符合這個觀點(diǎn)，因此寒武紀(jì)大爆發(fā)也經(jīng)常被人們拿來作為反對進(jìn)化論的例子。實際上這只是當(dāng)年對寒武紀(jì)之前時代的地層發(fā)掘有限導(dǎo)致的。

隨著后來距今約5.7-5.41億年埃迪卡拉生物群的發(fā)現(xiàn)，寒武紀(jì)之前生命演化的脈絡(luò)就逐漸清晰了。特別是2011年在我國三峽地區(qū)發(fā)現(xiàn)的石板灘生物群，里面不僅發(fā)現(xiàn)了很多固著生活的動物，最重要的是還發(fā)現(xiàn)了最早具有運(yùn)動能力的兩側(cè)對稱動物——夷陵蟲！石板灘生物群的年代是距今約5.5-5.4億年的埃迪卡拉紀(jì)末期，剛好對接了寒武紀(jì)，可以說它的出現(xiàn)填補(bǔ)了上寒武紀(jì)之前生命演化的最后一段空白。

所以寒武紀(jì)生命演化并不是大爆發(fā)，準(zhǔn)確地說，不是“無中生有的爆發(fā)”，而是“有傳承的爆發(fā)”。由此，古生物學(xué)家對這個生命演化史上著名懸案的研究重點(diǎn)從“為什么無中生有的爆發(fā)”轉(zhuǎn)向了爆發(fā)的誘因是什么。

之前的研究認(rèn)為，寒武紀(jì)時期，地球經(jīng)歷了一系列重大變化，包括氣候變化、海洋化學(xué)變化和地質(zhì)活動。這些變化為生命的快速多樣化創(chuàng)造了有利條件。其中海洋中氧氣含量的增加為生物多樣性的爆發(fā)提供了適宜的環(huán)境條件。隨著氧氣的增加，生物體的代謝速率和生長速率也相應(yīng)提高，從而促進(jìn)了生物的快速演化。但是最近幾年的相關(guān)研究表明，早期動物對氧氣的需求量并不高。更有觀點(diǎn)認(rèn)為，海洋氧化是寒武紀(jì)生命大量出現(xiàn)的結(jié)果而非原因。可見寒武紀(jì)早期海洋氧化還原變化和生命快速發(fā)展之間的相互作用機(jī)制仍不清楚，需進(jìn)一步探究。

最近，我國科學(xué)家衛(wèi)煒等人，通過對采集揚(yáng)子板塊距今約5.21億年前的下寒武統(tǒng)富金屬頁巖的鋇同位素數(shù)據(jù)，分析之后發(fā)現(xiàn)，埃迪卡拉紀(jì)到寒武紀(jì)過渡時期，由于海洋的逐漸氧化提升了硫酸根濃度，當(dāng)時海洋中鋇離子的含量比較高，而水體中高濃度的鋇會抑制水生動物的存活率。高中時候的化學(xué)課上曾經(jīng)教過大家硫酸鋇不溶于水這個知識點(diǎn)。當(dāng)時海洋中累積的鋇離子就慢慢被大量的硫酸根以重晶石形式移除了。也就是說當(dāng)時的氧氣給海洋來了一波“大解毒”，不僅氧化了海洋中的有毒硫化物，連帶著還把同樣有毒的鋇離子也移除了，這大大改善了海洋的宜居性，從而促使了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)。

當(dāng)然，這項研究的結(jié)果也只是為寒武紀(jì)早期海洋氧化與生命大爆發(fā)之間的互饋機(jī)制提供了一個新的見解。隨著古生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，科學(xué)家們也通過古環(huán)境重建、基因組學(xué)研究等方法來探討寒武紀(jì)生命集中出現(xiàn)和發(fā)展的成因和過程。我相信在這一生命演化歷史上的“懸案”，終究有解開的那一天。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者： 劉森

審核： 高源審核專家國家自然博物館 副研究館員

出品：中國科協(xié)科普部

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