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6亿年前,深海动物首次拥有了“吸氧自由”

来源:科技日报2023-01-18 10:18

  距今5.38亿—6.35亿年前,深层海水或许已经开始大规模氧化,这段时期海洋中出现了大量复杂多细胞生物,被认为是地球生命演化的关键转折时期。但是,过去的研究却一直认为当时的深海仍然缺氧。

  科技日报记者2月初从中国科学院南京地质古生物研究所获悉,该所王伟副研究员等人的最新研究成果显示,距今5.38亿—6.35亿年前的深层海水可能已经开始大规模氧化,相关成果1月底在线发表于国际知名期刊《地质学》。

  氧气是复杂多细胞生物得以生存和繁衍的重要条件之一。现代海洋中从浅水至深水有足够的氧气可以供动植物生存需要,比如在西太平洋深达11000米的马里亚纳海沟,已确认在约8500米处发现鱼类等动物生存,但在5亿年前的古海洋却并非如此。

  一般认为,显生宙(大约5.4亿年前至今)植物完全出现后,现代氧化海洋的雏形才完全形成,之前的海洋环境总是在氧化—缺氧之间反反复复。

  近年来,科学家已在埃迪卡拉纪地层中找到大量由复杂多细胞生命组成的化石生物群,例如:华南扬子地台的“蓝田生物群”“瓮安生物群”“庙河生物群”及“石板滩生物群”等。复杂多细胞生物的生命活动需要消耗大量氧气,它们的出现代表着当时海洋环境中含氧量的增高,但是这却与过去的研究结果相反。

  南京地质古生物研究所王伟副研究员、关成国助理研究员和周传明研究员等与中国科学院地质与地球物理研究所同事合作,利用黄铁矿硫同位素原位微区分析方法,并结合岩石学和矿物学分析,揭示了埃迪卡拉纪海洋中的硫酸根库容量比先前估计的要高,表明当时深层海水可能已经开始大规模氧化。

  硫同位素方法是恢复古海洋环境的重要手段之一。地质历史时期古海洋环境的恢复多借助于地球化学手段,硫同位素是其中最常用的地化指标之一。在大气含氧量普遍较低的情况下,陆源硫酸根离子是海洋的重要氧化剂,对古海洋深水区的氧化起到关键性作用,充足的硫酸根库是古海洋深水氧化的重要前提。

  地质历史时期古海洋中的硫酸根浓度无法直接测得,其浓度水平一般用古海洋中硫同位素分馏程度来表征。王伟认为,以往传统硫同位素方法的应用多采取全岩分析手段,缺乏系统的岩石学和矿物学分析,并未充分考虑沉积硫化物(例如黄铁矿)形成过程及其后期成岩作用的复杂性。早期的方法有可能导致所提取的古海水中的同位素信号叠加了其他介质(例如孔隙水、成岩后期的地下水体)的信号,致使我们对当时海洋水体的氧化还原状态的认识产生偏差。

  研究人员以新鲜的蓝田岩芯样品为研究对象,把岩石标本进行仔细的切片抛光,在光学显微镜下仔细观察黄铁矿的形态特征,发现黄铁矿具有不同的形态特征。他们又运用扫描电镜,在微米尺度下对黄铁矿的形态进行观察,并运用SIMS质谱,对黄铁矿原位微区同位素组成进行打点测试。

  在实验数据基础上,研究团队运用数学模型,初步估算了当时海洋的硫酸根浓度的低估量,得出这样的结论:埃迪卡拉纪深水区的硫酸根浓度此前被严重低估,海洋中的硫酸根库容量可能已经足够满足深层海水的氧化,这表明古海洋深层海水在“雪球地球事件”结束后可能已经开始了大规模氧化,从而为复杂多细胞生命的发展提供了保障。

  这项研究成果,从新的视角推翻了以前关于埃迪卡拉纪古海洋深水氧化能力的研究,认为6亿年前的古海水深水区已经有发生大规模氧化的能力,这为深水复杂生命的出现提供了有利保障,也在一定层面上解答了为什么在6亿年的海洋深水中出现了“蓝田生物群”。同时,本研究指出全岩硫同位素指标在古环境重建中存在一定的局限性,并提供了相应的解决方案。(张 晔)

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