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5.4亿年前生物进化点燃寒武纪大爆发

来源:www.timetimetime.net 时间:2020-01-04 编辑:生活语录

作者:宗华来源:中国科学新闻,发布日期:2016/3/2 9:17:16

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5.4亿年前,生物进化点燃了寒武纪大爆发

5.4亿年前,一次生物进化创造了具有惊人多样性的海洋动物

谁点燃了寒武纪大爆发

这段动物生活简单,没有食肉动物。然而,一场进化风暴很快颠覆了寂静的世界。

寒武纪海洋充满了各种新的动物,例如图片中间的捕食者,稀有的虾。

照片来源:约翰西比克

80米高的黑色尖塔矗立在纳米比亚绿草如茵的平地上。它们让人们想起一些古老的东西古老文明的坟墓或者被时间埋葬的伟大金字塔的尖顶。

事实上,这些石头结构是一个衰落帝国的遗迹,但它们不是来自人类的手。它们是5.43亿年前埃迪卡拉纪浅海海底蓝细菌形成的尖礁。由这些岩石统治的古代世界真的很奇怪。海洋中氧气太少,现代鱼很快就会死亡。当时,一个由微生物制成的粘性“垫子”覆盖着海底,在这个“垫子”上住着各种神秘的动物,它们的身体就像缝制的薄枕头。大多数动物是静止的,但有些动物在粘液中漫无目的地移动,以微生物为食。这个时期的动物生活很简单,没有食肉动物。然而,一场进化风暴很快颠覆了寂静的世界。

几百万年后,这个简单的生态系统消失了,让位于一个由具有现代解剖结构和强大流动性的动物统治的世界。这就是所谓的“寒武纪大爆发”产生有腿和复眼的节肢动物、有鳃的羽状蠕虫和边缘有齿嘴啃食猎物的敏捷捕食者。一些人认为氧气的突然增加引发了这种变化,而另一些人认为这是由于一些关键进化创新的形成,如视觉。确切的起源仍然难以捉摸,部分原因是当时对物理和化学环境知之甚少。

然而,在过去的几十年里,相关的发现已经开始产生一些关于埃迪卡拉纪结束的有吸引力的线索。从纳米比亚珊瑚礁和其他地方收集的证据表明,早期的理论过于简单,即寒武纪大爆发实际上起源于引发重要进化的微小环境变化之间的复杂相互作用。

今天,一些科学家认为氧气的暂时少量增加突然超过了生态阈值,允许食肉动物出现。食肉动物的崛起可能引发了进化上的“军备竞赛”,导致现在充斥海洋的复杂体型和行为的出现。"这是地球进化中最重要的事情."加拿大皇后大学古生物学家Guy Narbonne说。

氧化程度怀疑

在纳米比亚、中国和世界其他地方,研究人员收集了曾经是古代海床的岩石,并分析了它们的铁、钼和其他金属含量。这些金属的溶解度很大程度上取决于氧的含量,所以它们在古代沉积岩中的含量和类型反映了很久以前沉积物形成时水中的氧含量。

这些“因素”似乎表明海洋中的氧浓度上升了几个台阶,接近大约5.41亿年前寒武纪开始时的今天的海洋表面浓度。就在更现代的动物突然出现并多样化之前。这支持了氧气是进化爆发的关键触发因素的观点。

然而,去年,一项对古代海底沉积物的大规模研究挑战了这一观点。美国斯坦福大学古生物学家埃里克斯珀林(Erik Sperling)汇编了一个包含4700个铁测量值的数据库。这些结果收集自世界各地的岩石,跨越埃迪卡拉纪和寒武纪。斯珀林和他的同事们发现,在埃迪卡拉纪和寒武纪之间的边界,好氧和厌氧海水的比例没有统计学意义上的显着增加。"即使发生任何氧化,它肯定比人们通常认为的要小得多."斯珀林认为。大多数人推断:“氧化事件基本上将当时的氧气增加到了现代水平。情况可能并非如此。”

当最新的研究结果出来时,科学家们实际上开始重新考虑在这个关键阶段海洋氧含量发生了什么。丹麦欧登塞的南丹麦大学的地球生物学家唐纳德坎菲尔德怀疑氧气是早期动物的一个限制因素。在最近发表的一项研究中,坎菲尔德和他的同事们发现,氧气水平在海绵等简单动物真正出现前几百万年就足够支持它们了。他承认寒武纪动物比早期海绵需要更多的氧气。"然而,在埃迪卡拉纪和寒武纪的交界处,你不需要增加氧气."坎菲尔德说,在此之前的很长一段时间里,氧气可能已经足够了。

小小的促销会引发巨大的变化

斯珀林通过研究世界上现代海洋中氧含量正在减少的地区,寻求对埃迪卡拉纪海洋的更好理解。他认为生物学家经常使用错误的方法来思考氧气是如何影响动物进化的。通过收集和分析他和其他人之前公开的数据,斯珀林发现微小蠕虫存在于含氧量极低的海底区域低于海洋表面全球平均含氧量的0.5%。这些缺氧环境中的食物网很简单,动物直接以微生物为食。在海底含氧量稍高的地方约为海洋表面浓度的0.5% ~ 3%动物物种更加丰富,但食物网仍然有限:动物仍然以微生物为食,而不是彼此为食。然而,当氧气含量在3%到10%之间时,食肉动物就会出现并开始吃其他动物。

Sperling说这个发现对进化有深远的影响。寒武纪之前氧气含量的轻微上升足以引发一次大的变化。“如果氧含量为3%,超过10%的阈值,将对早期动物进化产生巨大影响。”在氧气含量略有增加的驱动下,捕食者逐渐出现。这对埃迪卡拉动物来说是一个大问题,它们显然缺乏防御能力。

对上述纳米比亚古代珊瑚礁的研究表明,到埃迪卡拉纪末期,动物确实开始成为食肉动物的猎物。当英国爱丁堡大学的古生物学家雷切尔伍德(Rachel Wood)分析岩层时,她发现一种叫做克劳德杜恩的原始动物占据了微生物礁的一部分。这些锥形生物没有在海底扩散,而是生活在一个拥挤的聚集地。它可以隐藏脆弱的部分,从而避开捕食者这是现代珊瑚礁中的生态动力学。寒武纪早期“复杂动物”痕迹的存在表明,当时动物开始在微生物垫下的沉积物中挖几厘米的洞,这提供了一种获取以前未被利用的养分的方法,并成为躲避捕食者的避难所。动物也可能向相反的方向移动。斯珀林说,避免食肉动物和追逐猎物的需要可能会驱使动物进入海床上方的水柱。在那里,氧气含量的增加使他们能够通过游泳消耗能量。

氧气阈值和生态系统的新证据也有助于解释另一个重要的进化问题:动物是什么时候起源的?第一个无可争议的动物化石仅出现在5.8亿年前,但遗传证据显示,基本动物起源于8亿至7亿年前。加州大学河滨分校的地球物理学家蒂莫西莱昂斯说,答案可能是大约8亿年前氧气水平上升到现代水平的2%或3%。这种浓度可以维持简单和小型动物的生存,就像它们今天在海洋缺氧区所做的那样。然而,直到埃迪卡拉纪氧含量进一步增加,体型较大的动物才出现。

理解氧气如何影响复杂动物的外观需要科学家从岩石中梳理出更微妙的线索。“我们一直鼓励从事化石研究的科学家将化石与我们的氧制剂更紧密地联系起来。”里昂说道。这意味着破解不同古代环境中的氧含量,并将这些值与同一地点发现的化石动物所展示的特征类型联系起来。(宗华)

《中国科学报》 (2016-03-02第三版国际)

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