文章来源：斯坦福大学官方网站

新的研究提供了迄今为止最明确的证据，证明5.4亿年前的快速进化可能是由地球大气层和浅海水中氧气的小幅增加引起的。

7月2日，来自50多个机构的国际科学家联盟在《自然地球科学》（Nature Geoscience）上发表的一项研究显示，5.4亿年前的寒武纪大爆发可能是由地球大气层和浅海水中氧气含量的小幅增加引发的。

“寒武纪动物可能并不像科学家过去认为的那样需要那么多的氧气。我们发现氧合的微小增加在正确的幅度下推动了生态学的巨大变化，“领导该联盟的斯坦福多尔可持续发展学院地球与行星科学副教授埃里克·斯珀林说。

该研究调和了来自世界各地的相互矛盾的数据集，并提供了迄今为止最明确的证据，即在寒武纪大爆发前后，氧气仅略有增加。此外，研究人员发现有证据表明，深海中的氧气含量直到寒武纪大爆发后约1.4亿年才接近现代海洋中的氧气水平，这比以前认为的要晚得多。

“大约5.4亿年前，大气中的氧气至少有所增加，这影响了大多数海洋生物多样性所在的浅海环境中的氧气供应，”主要研究作者Richard Stockey博士说，他是南安普顿大学的古生物学家，他在斯坦福大学Sperling小组的博士论文中从事这项研究。“但从全球角度来看，直到大约4亿年前，我们才看到海洋的完全氧化到接近现代的水平，大约在我们看到陆地上出现大片森林的时候。

氧气刚好够用

几十年来，科学家们一直推测，寒武纪大爆发是由大气中氧气的突然上升引起的，这使得古代海洋中的氧气接近现代水平。但这方面的证据是零散的，在某些情况下是相互矛盾的。

“这是这些主要的进化问题之一，”斯珀林说。“我们有40亿年的进化历史，在岩石记录中没有多少出现，然后在2000万或3000万年内，我们得到了新的天体计划的爆发。在地质学的眨眼间，动物进化出了坚硬的外壳、原始的脊椎和我们今天看到的生命形式的其他前体。

虽然研究人员发现寒武纪大爆发时大气中的氧气仅略有增加，但可能不需要太多时间来推动化石记录中看到的进化飞跃。当时大多数动物都生活在浅水中，即使更深的海洋保持不变，风和海浪引起的混合也会使这些区域充氧。

“这并不是氧气的大幅增加，但根据我们在自然低氧的现代地区所看到的情况，它可能足以跨越关键的生态阈值，”斯珀林说。

挖掘答案

为了调查地球7亿年历史中氧气的变化，Stockey和Sperling检查了显示黑色页岩中金属铀和钼含量的数据，黑色页岩是一种在古代海洋底部的低氧或缺氧（无氧）环境中形成的沉积岩。

在低氧环境中，这些微量元素被从海水中拉出并积聚在沉积物中。如果大片海洋缺氧，黑色页岩中的钼和铀含量应该很低，因为这些稀缺金属不断被从海水中拉出并埋藏在大面积上。另一方面，如果海洋中只有少数缺氧区域，则海水中有更多的钼和铀，并且应该更多地集中在黑色页岩中。

先前的研究发现，在寒武纪大爆发前后，黑色页岩中的痕量金属浓度有所增加。然而，其他信号会干扰这些浓度，Stockey说。例如，黑色页岩中有机碳的局部增加可以增加特定样品中存在的钼和铀的含量。Stockey应用统计和机器学习技术，在更大的范围内分析了黑色页岩样品的地球化学数据，并梳理了岩石中的信号。然后，他使用海洋学模型来估计地球大气和海洋中的氧气含量。

“我们发现，黑色页岩中有机碳的变化推动了科学家在过去15年或20年中看到的痕量金属的许多变化，”Stockey说。“直到寒武纪大爆发后1.4亿年，在泥盆纪时期，我们才看到痕量金属以表明整个海洋氧化的速度增加。

地球化学数据联盟

黑色页岩数据是沉积地球化学和古环境项目的一部分，该项目是Sperling于2015年发起的一个研究联盟，旨在将地球化学数据汇集到一个标准化数据库中进行大规模分析。虽然这种汇编、核对和分析数据的联盟方法在其他领域很常见——斯珀林从生物医学研究联盟研究疾病的方式中汲取了灵感——但这个联盟是地质学领域的第一个此类联盟。

“这与我们以前在该领域使用的方法非常不同，”Sperling说。“每个单独的研究小组，包括我们的研究小组，仍然要去现场，了解正在发生的事情，但我们需要齐心协力分析事情。

Stockey为这项工作开发的分析工具包不仅可以帮助研究人员了解古代的氧气含量，还可以帮助研究人员了解温度，食物供应和其他早期进化的潜在驱动因素。联盟成员还在收集新数据，以填补采样不足的地质时间段，并进行扩展到较老和较年轻时间间隔的分析。

“为了利用这些更先进的数据科学方法的力量，特别是对于地质数据，我们需要每个人都说同一种语言，”Stockey说。“这种社区驱动的数据科学方法使我们能够对如何重建地球在空间和时间上的演变更有信心。

原文链接：https://news.stanford.edu/stories/2024/07/revisiting-the-cambrian-explosion-s-spark