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寒武紀(jì)大爆發(fā)的 “起搏器”

軌道驅(qū)動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入

引發(fā)氧含量的周期性變化

寒武紀(jì)大爆發(fā)是地球生命演化史上最關(guān)鍵的里程碑事件之一，導(dǎo)致幾乎所有現(xiàn)生動(dòng)物門類快速在地球上出現(xiàn)。已有古生物和地球化學(xué)證據(jù)表明，動(dòng)物在寒武紀(jì)早期的爆發(fā)過(guò)程呈現(xiàn)出“脈沖式”的演化模式，并伴隨著海水無(wú)機(jī)碳、硫酸鹽硫同位素的同步波動(dòng)，被認(rèn)為可能與大氣和淺海的周期性“增氧”直接相關(guān)。然而，調(diào)控這一時(shí)期脈沖式增氧的驅(qū)動(dòng)機(jī)制尚不可知。

中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所朱茂炎研究團(tuán)隊(duì)的博士后張瑩剛，與英國(guó)利茲大學(xué)Benjamin Mills和Robert Newton、河海大學(xué)何天辰和南京大學(xué)楊濤等合作，通過(guò)頻譜分析和地球系統(tǒng)箱式模型模擬，揭示了地球長(zhǎng)時(shí)間尺度的軌道變化可能是這一脈沖式增氧過(guò)程的幕后推手。相關(guān)研究成果近期發(fā)表于自然指數(shù)期刊《地球物理研究通訊》（Geophysical Research Letters）上。

早在2019年，朱茂炎的中英合作研究團(tuán)隊(duì)利用俄羅斯西伯利亞寒武紀(jì)早期連續(xù)的碳酸鹽巖地層剖面獲得樣品的研究，揭示寒武紀(jì)早期（約524–514百萬(wàn)年前）海洋動(dòng)物多樣性在約2–3百萬(wàn)年的時(shí)間尺度上呈現(xiàn)周期性變化，與海水碳、硫同位素的同步漂移在時(shí)間上高度吻合。他們認(rèn)為，全球有機(jī)碳和黃鐵礦埋藏的周期性變化導(dǎo)致了大氣和淺海氧含量的周期性波動(dòng)，進(jìn)而影響了海洋動(dòng)物的早期演化模式（He et al., 2019, Nature Geoscience）。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步指出，這些百萬(wàn)年尺度的地球表層環(huán)境變化，很可能是由長(zhǎng)周期的地球軌道變化所驅(qū)動(dòng)。軌道變化通過(guò)改變地球不同緯度接收太陽(yáng)輻射的分布差異，導(dǎo)致氣候周期性波動(dòng)。這一周期性變化很可能影響了大陸的風(fēng)化作用強(qiáng)度，以及磷等關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向海洋的輸送。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的周期性輸入，刺激海洋光合作用和有機(jī)碳埋藏，從而導(dǎo)致大氣和海洋氧含量的周期性增加。

為論證這一假說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)已發(fā)表的寒武紀(jì)早期碳–硫同位素記錄進(jìn)行了頻譜分析，結(jié)果顯示這一時(shí)期碳、硫同位素記錄中存在1.2、2.6和4.5百萬(wàn)年的長(zhǎng)周期變化，與長(zhǎng)周期軌道變化周期一致。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)在最新的深時(shí)地球系統(tǒng)箱式模型（SCION）中首次添加了氣候軌道驅(qū)動(dòng)因子，對(duì)這一過(guò)程開(kāi)展了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，軌道驅(qū)動(dòng)的氣候變化可以成功復(fù)現(xiàn)海水碳–硫同位素的同步周期性變化，論證了這一假說(shuō)的可行性。

此外，模型敏感度實(shí)驗(yàn)表明，海洋中的低硫酸鹽濃度是寒武紀(jì)地球系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要短板，很可能放大了碳–硫–氧生物地球化學(xué)循環(huán)對(duì)軌道驅(qū)動(dòng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入的響應(yīng)幅度。該項(xiàng)研究對(duì)理解寒武紀(jì)生命大爆發(fā)節(jié)拍和其他時(shí)期周期性的碳、硫、氧循環(huán)提供了新思路和新視角。

此項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、江蘇省卓越博士后計(jì)劃以及英國(guó)自然環(huán)境研究理事會(huì)的聯(lián)合資助。

◎論文相關(guān)信息：

He T*, Zhu M*, Mills BJW, Wynn PM, Zhuravlev AY, Tostevin R, et al. Possible links between extreme oxygen perturbations and the cambrian radiation of animals. Nat Geosci 2019;12:468–74. https://doi.org/10.1038/s41561-019-0357-z.

Zhang Y, Mills BJW, Newton RJ, He T, Roper A, Yang T*, Zhu M*. Orbitally‐driven nutrient pulses linked to early cambrian periodic oxygenation and animal radiation. Geophys Res Lett 2025;52:e2025GL118689. https://doi.org/10.1029/2025GL118689.

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所