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                      2016年01月13日 星期三
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                      地質所與南京大學等單位合作提出距今5.51-5.15億年前生物與環境協同演化新機制

                      來源:地調局地質所 作者:王丹 發布時間:2018-07-04

                      2018年7月3日,《自然通讯》(Nature Communications)在线发表了中国地质调查局地质研究所朱祥坤研究员课题组、南京大学凌洪飞教授课题组与国内外其他单位的合作研究论文“埃迪卡拉纪—寒武纪转折期海洋氧化-还原状态与动物演化的耦合关系(Coupling of ocean redox and animal evolution during the Ediacaran-Cambrian transition)”。该成果以氮同位素为主要研究手段,发现距今约5.51-5.15亿年前的埃迪卡拉纪—寒武纪转折期海洋氧化-还原状态呈现阶段性波动变化,时间上与早期后生动物的阶段性辐射和灭绝事件高度吻合。这一新的研究成果不仅有助于解决该时期古海洋氧化程度的争议,还为解答地球动物的“寒武纪大爆发”之谜提供了新的视角,是地球生命与环境协同演化领域的一项重大研究进展。

                      埃迪卡拉紀晚期-寒武紀早期是後生動物起源和早期演化的關鍵時期,幾乎現代所有的動物門類在一個較短的時期內快速出現,海洋生態系統也接近現代水平,被稱爲“寒武紀大爆發”。這一快速生物演化事件是自達爾文1859年《物種起源》發表以來一直未解的生物進化論之謎。目前,這一時期生物的快速演化是否與地球環境變化密切相關是破解進化論謎題的焦點之一,其中大氣和海洋的氧化狀態成爲學界備受關注但存在爭議的熱點。氮(N)作爲生物有機大分子(如蛋白質與核酸)的重要組成,是生命活動的重要營養元素之一,同時氮的地球化學循環與海洋的氧化還原狀態密切相關。因此,氮的地球化學循環是連接古海洋氧化還原狀態與生物演化的橋梁,可爲解決上述問題提供重要證據。

                      基于不同氧化-还原环境中氮循环和氮同位素组成(δ15N)的差异性原理,论文作者分析、整理了华南扬子地区和哈萨克斯坦Malyi Karatau地区多个剖面上的埃迪卡拉系-寒武系地层中的碳、氮同位素数据,发现氮同位素和碳同位素组成演化曲线存在很好的耦合关系,并且碳、氮同位素的正、负漂移分别与生物的阶段性辐射和灭绝事件在时间上也高度吻合(图1)。结合前人研究结果,论文作者提出埃迪卡拉纪以来海洋氮储库的增加,为浮游真核藻类的繁盛提供物质条件,生物链与生态系统的变革最终导致海洋环境的进一步氧化,为后生动物的起源和快速演化奠定了基础。同时,受氮等营养元素供给过剩的影响,该时期大陆架边缘盆地发生多次大规模海水缺氧事件,导致该时期生物发生多次灭绝事件。这一最新研究成果详细地刻画了氮等营养元素控制、影响海洋的初级生产力和氧化-还原状态的新机制,肯定了氧气对于后生动物演化的重要意义,进而为科学家揭秘生物与环境协同演化提供一个新的视角。

                      該項研究得到國家自然科學基金、中國地質科學院科研基金、中國科學院戰略性先導科技專項(B類)、國家留學基金、中德和中英合作項目等的聯合資助,論文的第一作者爲王丹博士,2015年畢業于南京大學地球科學與工程學院,現爲中國地質科學院地質研究所在站博士後。

                      埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期(5.51-5.15億年)海洋碳、氮同位素綜合曲線與重大生物事件關系圖