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研究亮点

王丹等-Nature Communications: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

来源:自然资源部门户网站 作者:同位素地质 王丹 发布时间:2018-07-05

  2018年7月3日,《自然通讯》(Nature Communications)在线发表了中国地质科学院和记娱乐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。

  埃迪卡拉纪晚期-寒武纪早期是后生动物起源和早期演化的关键时期,几乎现代所有的动物门类在一个较短的时期内快速出现,海洋生态系统也接近现代水平,被称为“寒武纪大爆发”。这一快速生物演化事件是自达尔文1859年《物种起源》发表以来一直未解的生物进化论之谜。目前,这一时期生物的快速演化是否与地球环境变化密切相关是破解进化论谜题的焦点之一,其中大气和海洋的氧化状态成为学界备受关注但存在争议的热点。氮(N)作为生物有机大分子(如蛋白质与核酸)的重要组成,是生命活动的重要营养元素之一,同时氮的地球化学循环与海洋的氧化还原状态密切相关。因此,氮的地球化学循环是连接古海洋氧化还原状态与生物演化的桥梁,可为解决上述问题提供重要证据。

  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。

  该项研究得到国家自然科学基金、中国地质科学院科研基金、中国科学院战略性先导科技专项(B类)、国家留学基金、中德和中英合作项目等的联合资助,论文的第一作者为王丹博士,2015年毕业于南京大学地球科学与工程学院,现为中国地质科学院和记娱乐在站博士后:

  Wang, D.*, Ling, H.-F.*, Struck, U., Zhu, X.-K., Zhu, M.-Y., He, T.-C., Yang, B., Gamper, A., Shields-Zhou, G.A. 2018. Coupling of ocean redox and animal evolution during the Ediacaran-Cambrian transition. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-018-04980-5

 

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