作者:S.Peters 来源:《自然》 发布时间:2012-4-24 9:44:35
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海水变化造就寒武纪生命大爆发

亚利桑那大峡谷的大不整合面,寒武纪砂岩覆盖在元古代岩层上

六亿年前的海洋已是生机盎然,那时海洋的主人是一种软体生物,后来成了地球上所有动物的祖先,但是浩瀚的大海几乎没有保存它们柔软的行迹。又过了数千万年——这与地球历史相比也只是一眨眼的工夫——生命开始以爆发的速度演化、分化,变得越来越复杂,出现了多细胞动物,有些动物拥有了外壳或内骨骼。
 
寒武纪大爆发的化石证据不胜枚举,但其原因和精确的发生时间一直是一个谜。另外,为什么自那以后再也没有类似的现象了呢?
 
新的研究认为,寒武纪生命的奥秘可能蕴藏在地质学第二大谜团:“大不整合面(Great Unconformity)”之中,它是一个世界范围的地层特征,指远古大陆的基岩与较年轻的寒武纪浅海沉积物之间的一个分界线。“大不整合面是一个非常稳定的地质分界面,在整个地史时期是唯一一例,”研究的主要承担者、威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的地球科学教授S.Peters说。大不整合面将数十亿年前地球深部形成的古老基岩与相对年轻的寒武纪海洋沉积接合在了一起,且遍布全球各地。这条界线之间包含了上亿年的时间空隙,而寒武纪大爆发的秘密可能就隐藏在那些缺失的岩层中。
 
在四月十九日的《自然》杂志上,Peters和他的同事们共同撰文称,造就“大不整合面”的力量,或许就是寒武纪大爆发的最终原因。
 
研究人员发现,这种岩层上的巨大缺失还伴随着海洋化学的深层变化,那时的海洋正在孕育原始生命。海洋化学的变化可能是生命大爆发的驱动力。
 
“我们推测,在不整合面最终形成时,地表受到风和水流的严重剥蚀,这些剥蚀产物被带入海洋中,随后海洋里出现的生物矿化作用,如动物的外骨骼等,就是对海洋化学成分改变的应答。”Peters说。他和同事Gaines研究了采自北美各处的两万余块岩石样本,找到了各种各样的证据,如罕见的地球化学条件下出现的奇特矿物沉积,是物理、化学和生物三种因素共同作用的产物。
 
在寒武纪早期,北美大陆的浅海海面不断起伏变化,常年侵蚀海床沉积,渐渐地露出大地深处的基岩。沉睡了数十亿年后,这些基岩第一次探出头来,与空气和水相接触,化学风化作用将其中的一些成分如二氧化硅及钙、铁、钾等金属离子释放到海水里,海水的化学组成发生了改变。
 
随后,暴露出来的基岩又渐渐被海洋沉积覆盖,形成了一条中间有断层的界线,这就是大不整合面。日益增加的碳酸盐沉积以及扩张的海绿石海床,便是海水化学成分改变的证明。

 

三叶虫拥有碳酸钙外壳
 
大量涌入的无机离子对海中生物构成了威胁。“要正常生活,身体必须维持水盐平衡,”Peters解释说。“过量的无机盐参与生命活动,是非常不利的,必须把它们排除在外。方法之一就是将体内的无机盐结晶矿化。”
 
目前,地球上主要有三种生物矿化物:磷酸钙(脊椎动物的骨骼和牙齿)、碳酸钙(无脊椎动物的外骨骼)和二氧化硅(放射虫的外壳),生成这三种生物矿化物的生物学机制,几乎是同时演化出来的。随后便各自开枝散叶,才有了今天多姿多彩的动物世界。
 
从动物出现到矿化骨骼的形成,其中有一段时间间隔。这样看来,三种矿化作用同时产生,且殊途同归,并非是为了获得某种新功能或新器官,而更像是对某些现象的应答。大不整合面的形成过程中,海水化学的变化,正好与矿化作用对应起来。也正是因为大量无机离子释放入海,为生命演化确定了方向。现在,生物矿化现象被赋予了各种各样的功能:保护(动物体表的刺和外壳)、支持身体(内骨骼)与捕食(螯和牙齿)。
 
研究者们得出结论,大不整合面的形成或许是寒武纪生命大爆发的驱动力。
 
“我们的设想将许多线索串了起来,例如各种独特的沉积现象、丰富完好的化石记录等。我们推测海水化学的变化对早期生命构成了深远影响。”Gaines说。这项成果让我们看到,地层之书的缺页与空白其实可能蕴含珍贵宝藏。(来源:化石网)
 
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