6亿年前,深海动物第一次拥有了"吸氧自由"

5.38亿-6.35亿年前,深海海水可能已经开始大规模氧化,在此期间,大量复杂的多细胞生物出现在海洋中,这被认为是地球生命进化的一个关键转折点。然而,过去的研究一直认为深海仍然是缺氧的。


二月初,记者从中国科学院南京地质古生物学研究所获悉,王炜等人的最新研究成果表明,五亿三千八百万至六亿三千五百万年前的深海可能已开始大规模氧化,有关成果已于一月底在国际著名的地质杂志网上发表。


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氧气是复杂的多细胞生物生存和繁殖的重要条件之一。现代海洋从浅水到深海都有足够的氧气供动植物生存,例如马里亚纳海沟,它位于西太平洋11000米深,鱼类和其他动物在那里被证实存活,但五亿年前的古老海洋却没有。


人们普遍认为,现代氧化海洋的胚胎形态是在幻影植物(约5.4亿年前至今)完全出现之后形成的,以前的海洋环境总是在氧化和缺氧之间反复出现。


近年来,科学家在埃迪卡拉地层中发现了大量由复杂的多细胞生物组成的化石生物群,如"蓝田生物群"、"翁安生物群"、"苗河生物群"和"石板滩生物群"等。


与中科院地球科学与地球物理研究所的同事、副研究员王炜、助理研究员关成国、南京地质古生物学研究所研究员周传明合作,结合岩石学和矿物学分析,揭示出埃迪卡拉海洋硫酸盐池容量高于先前的估计,说明当时深海可能已开始大规模氧化。


硫同位素法是恢复古海洋环境的重要手段之一,在地质和历史时期,古海洋环境的恢复以地球化学为主,硫同位素是最常用的地球化学指标之一,在大气含氧量普遍较低的情况下,陆生硫酸根离子是海洋中一种重要的氧化剂,对古海洋深水区域的氧化起着关键作用。充分的硫酸盐池是古海洋深水氧化的重要前提。


在地质历史时期,古海洋中的硫酸盐浓度不能直接测量,其浓度水平一般以古代海洋中硫同位素分馏的程度为特征。王炜认为,传统的硫同位素方法以往大多采用全岩分析,缺乏系统的岩石学和矿物学分析,没有充分考虑沉积硫化物(如黄铁矿)的形成过程和后期成岩过程的复杂性。早期的方法可能会使从古海水中提取的同位素信号叠加其他介质的信号(如孔隙水、晚成岩阶段的地下水),从而使我们对当时海水氧化还原状态的理解出现偏差。


研究人员以新鲜蓝田岩心样品为研究对象,对岩样进行了仔细的切片和抛光,在光学显微镜下仔细观察了黄铁矿的形态特征,发现黄铁矿具有不同的形态特征,并利用扫描电子显微镜观察了微米级黄铁矿的形貌,用SIMS质谱法原位测定了黄铁矿的同位素组成。


根据实验数据,利用数学模型对当时海洋中的低浓度硫酸盐进行了估算,得出了以前严重低估了埃迪卡拉深水区硫酸盐浓度的结论,海洋中硫酸盐池容量可能已足以满足深海水的氧化,表明古海洋深海水在"雪球地球事件"结束后可能已开始大规模氧化,从而为复杂多细胞生命的发育提供了保证。


本研究的结果从一个新的角度推翻了以往关于古海洋深水氧化能力的研究,认为六亿年前的古海水深水区已经具备了大规模氧化的能力,为深海复杂生命的出现提供了有利的保障,也解释了六亿年以来深海中出现的"蓝场生物群",同时指出了整个岩石硫同位素指数在古环境重建中的局限性,并给出了相应的解决方案。

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