氧气与动物早期进化的繁荣与萧条有关

伦敦大学学院和利兹大学领导的一项新研究发现，大气氧水平的极端波动与寒武纪爆发期间动物生物多样性的进化激增和灭绝相对应。

寒武纪爆炸是大约5.4亿年前开始的复杂动物快速进化的关键时期。动物生命早期阶段中这一基本阶段的触发因素是正在进行的生物学辩论的主题。

来自英国，中国和俄罗斯的科学家今天发表在《自然地球科学》上的这项研究为大气中氧气含量是动物进化的主要控制因素这一理论提供了有力的支持。

该研究首次表明，在寒武纪爆炸期间，氧气水平的激增与动物进化和生物多样性的爆发以及低氧时期的灭绝事件之间存在显着的相关性。

利兹大学的研究主要作者和博士后研究员何天辰博士在UCL期间就开始了这项研究。他说：“寒武纪爆炸期间产生的复杂生物是我们今天看到的许多现代动物的先驱。但是由于在这段时间内没有直接记录大气中的氧气，因此很难确定可能的因素开始了进化的关键点。

“通过分析古岩石中发现的碳和硫同位素，我们能够追踪寒武纪爆炸期间地球大气和浅海中的氧气变化。与同期的化石动物相比，我们可以清楚地看到进化辐射遵循一种模式的“繁荣与萧条”与氧气水平齐头并进。

“这强烈表明氧气在动物早期生命中起着至关重要的作用。”

该研究的合著者来自UCL地球科学学院的格雷厄姆·希尔兹教授说：“这是第一项清楚表明我们最早的动物祖先经历过一系列进化辐射和瓶颈的实验，这些辐射和瓶颈是由于大气中氧气水平的极端变化而引起的。

“其结果是在寒武纪超过1300万年的时间里，确实出现了新动物形式的爆炸。在那时，地球已从简单，单细胞和不活动的生物繁殖到拥有各种错综复杂，充满活力的生命我们今天看到的表格。”

该小组分析了从西伯利亚Aldan河和Lena河沿岸部分收集的海洋碳酸盐样品中的碳和硫同位素。在寒武纪爆炸期间，该地区原本是浅海，是地球上大多数动物生活的家园。

西伯利亚的下寒武统地层由具有丰富化石记录和可靠年龄限制的连续灰岩组成，为地球化学分析提供了合适的样本。岩石中的同位素特征与全球氧气的产生有关，这使研究小组能够确定寒武纪期间浅海和大气中的氧气含量。

这项研究的合著者来自利兹大学地球与环境学院的本杰明·米尔斯博士说：“西伯利亚平台为我们提供了进入早期海洋生态系统的独特窗口。该地区包含了目前来自寒武纪爆炸的所有已知化石多样性的一半以上。

“将同位素测量结果与数学模型结合起来，我们可以跟踪进入这个关键的演化摇篮的碳和硫的脉冲。我们的模型利用这些信息来估算氧气产生和破坏的全球平衡，从而使我们对氧气如何产生新的见解改变了我们今天星球上的生活。”

该研究的合著者来自中国科学院南京地质与古生物研究所的朱Mao岩说：“了解引发寒武纪爆炸的原因需要多学科研究。这就是为什么与Graham Shields一起组织了这样一个由NERC和NSFC资助的多学科团队的原因。过去的几年。我对通过这个合作项目所取得的成果感到非常兴奋。”

“另一方面，获得此结果花了很长时间。我们已经在2008年从西伯利亚获得了样本。西伯利亚的部分地区很难到达。我们花了一些时间来组织探险队并在那里收集样本。来自俄罗斯同事的支持，我们无法完成该项目。”

这项研究的合著者来自莫斯科罗蒙诺索夫国立大学的安德烈·于·朱拉夫列夫(Andrey Yu Zhuravlev)说：“这是一项令人难以置信的成功和令人兴奋的联合研究。多年来，寒武纪爆炸触发问题一直困扰着科学家们。动物的快速出现以及在寒武纪早期氧气的大量灭绝。”