附:《科學》刊登南國所專家合作論文。
2月24日，《科學》雜誌網絡版發表了壹組中美聯合研究團隊基於宜昌三峽地區巖石樣本測得的同位素年齡和系統碳同位素數據，對寒武紀大爆發前全球冰期、海水化學成分異常變化、多細胞動物起源和演化過程等科學問題提出了新的解釋。這些科學家認為，地球歷史上最大的壹次冰期以非常快的速度在各大洲幾乎同時結束，即6.35億年前，5.8億年前發生了壹次小冰期，隨後地球上出現了原始動物。多細胞生物尤其是動物的出現和繁榮，是5.5億年前全球大規模海水成分異常事件的直接原因。生物的加速繁榮導致大氣含氧量急劇增加，為後來的寒武紀生命大爆發埋下了伏筆。
據悉，這個研究小組由中國科學院南京地質古生物研究所和麻省理工學院的專家組成。論文第二作者朱博士指出，探索生命與環境演化的關系，是人類為了知識和生存而面臨的最基本的科學問題之壹。7.5億年至5.3億年前地質時期的環境和生命演化是地球和生命科學家關註的熱門科學話題。因為這壹時期是地球歷史上非常關鍵的轉折點，科學界稱之為隱生代和顯生宙的過渡時期，意思是地球從沒有可見生命的貧瘠狀態向環境適宜、生命茂盛的現代藍色星球過渡的關鍵階段。在此期間，復雜的多細胞生物和動物萌發，隨後發生了動物多樣性的快速增加，這通常被稱為“寒武紀大爆發”。在動物出現之前，地球環境極其寒冷，至少發生過三次大冰期。其中壹個最大的冰川居然延伸到了赤道地區，這是地球上前所未有的極端氣候異常。同時，地質記錄表明，在此期間，全球海水化學成分發生了頻率高、規模大的異常變化。階段性大規模冰期與多細胞生物的出現、海水化學條件的異常變化等環境地質事件之間可能存在必然的內在聯系，這就是近年來科學界廣泛關註的“雪球假說”。但對於冰期的數量和持續時間、動物的起源模式和確切年齡、這壹時期海水成分和大氣氧的變化等環境地質事件的發生過程，科學界存在較大爭議。原因是目前科研成果來自世界各地不同的巖層，已經發現的各種事件在地質時間坐標上的先後順序已經不清楚。因此，可靠準確的同位素測年是尋找7.5億年至5.3億年前地質時期環境與生命演化關系正確答案的最基本科學依據。
地質年齡可以通過測量礦物中放射性同位素的母元素和子元素的含量來計算，因為放射性同位素的衰變半周期是固定的。目前科學界可以根據不同的研究目的和研究對象，采用不同的同位素測年方法。地質時期火山噴發產生的火山灰中含有壹種非常穩定的礦物“鋯石”(ZrSiO4)，是精確測定地質年代的最佳材料。研究人員通過測量鈾同位素238U和鉛同位素206Pb的含量(238U衰變到206Pb的半周期為45億年)，可以計算出鋯石形成的年齡，即火山灰的年齡。麻省理工學院的熱離子質譜實驗室壹直是這項年代研究的國際公認實驗室。
自然物質循環過程中碳的變化影響著地球環境的變化，因為碳是溫室氣體二氧化碳的兩種成分之壹，大氣中二氧化碳含量的變化是地球氣候變化的關鍵。研究自然界中碳的循環規律是揭示地球環境因素變化的重要方法。眾所周知，碳是生命物質最基本的元素之壹，生命活動是影響碳在自然界循環的最重要因素。由於活有機質中“輕碳”(12C同位素)的含量高於“重碳”(13C同位素)，科學家可以通過研究巖石中碳同位素組成比的變化，了解地質時期生命活動與碳循環的關系，從而揭示大氣和海洋環境因素的變化過程。
那麽，為什麽選擇華南作為研究區域呢？由於華南有完整的這壹地質時期的地質記錄和典型的冰川地層，地質學家稱之為南沱冰磧礫巖，還有各種富含化石的地層。目前已發現含最早動物化石的甕安生物群、代表寒武紀大爆發的澄江生物群、富含大型多細胞藻類的何苗生物群、含大型動物遺骸和弱骨骼動物化石的高家山生物群和小貝殼生物群。因此，華南是這壹時期世界上進行生命演化和環境變遷的重點地區之壹。但無論是華南的冰期地層，還是這些化石群包括最早的動物化石的時代都沒有依據，環境變化事件(包括碳同位素變化)與冰期和生物群的時間順序也不確定。因此確定其地質年代成為區分冰期、生物和環境演化過程的關鍵。
據朱博士介紹，並不是所有火山灰樣品中的鋯石都可以用來確定年齡。有些鋯石來自較老的地層，它們的年齡不能代表火山噴發的時間。幸運的是，研究團隊最終在宜昌三峽地區兩條地質剖面上的三個層位的火山灰中發現了大量同生鋯石。用於測年的鋯石晶體長度壹般只有80 ~ 150微米左右。熱離子質譜分析結果獲得高精度年齡。首先，覆蓋南沱冰磧雜巖的碳酸鹽巖中部的火山灰年齡為6.352億年。這個年齡非常接近於在南非納米比亞北部的冰磧復合體頂部發現的年齡(6.355億年)。當時華南在低緯，納米比亞在南北半球，相距甚遠。但兩個時代的對比表明，華南的南沱冰期在世界各大洲是同時的，證明南沱冰期是地球歷史上最大的冰期。6 . 35億年前，這個巨大的冰河時代在全球範圍內同時快速結束。遍布世界各地的南沱冰川雜巖所覆蓋的碳酸鹽巖(通常稱為“帽狀碳酸鹽巖”)是在大氣中CO2濃度急劇增加導致的溫室效應環境下，在海洋中快速形成的碳酸鹽沈積，是冰期快速結束的直接原因。
其次，巖石同位素的新研究揭示了何苗生物群下發生了壹次巨大的負碳同位素事件，何苗生物群上方壹層火山灰551億年的年齡值徹底改變了人們此前對這壹階段生物與環境變化過程的認識。過去認為何苗生物群碳同位素負異常與5 . 8億年前南沱冰期後的另壹個冰期有關。新時代表明，這種碳同位素大負異常是全球性事件，與其他大陸(北美、澳洲、非洲)類似的碳同位素負異常相同，與全球冰期無關，而是55.65438億年前多細胞生物特別是動物的出現和繁盛所致。隨著多細胞生物的興起和繁榮，儲存了大量的有機碳。生物的加速繁榮導致大氣含氧量急劇增加，大量儲存的有機碳被氧化到大氣和海水中，參與新的碳循環。海水中的輕碳(12C同位素)急劇增加，導致5.55億年左右全球海水發生了壹次巨大的負碳同位素事件。同時，生物的繁盛帶來了豐富的大氣氧氣，為隨後的寒武紀生命大爆發奠定了基礎。
令人驚訝的是，研究結果得出了壹個非常重要的科學結論:地球上最早出現動物的時間並不早於5.8億年。因為在6.35億年至556.5438+0億年之間的巖層中發現了含有最早動物化石的“甕安生物群”，所以“甕安生物群”下的地層有明顯的“喀斯特巖溶”面，代表了壹次較大的海平面下降事件，推測是南沱冰期後的又壹次冰期所致。這個冰川期是5.8億年前紐芬蘭、加拿大和歐洲有典型地質記錄的壹個冰川期。這壹結論不僅得到了其他方法作出的綜合地層時代對比結果，而且還想匹配。如果這個結論是可靠的，那麽地球上的動物最早出現是在南沱大冰期後的壹個冰期結束後，說明代表華南最早動物化石記錄的“甕安生物群”與當時世界其他地區豐富的“埃迪卡拉生物群”幾乎是同時的，改變了“甕安生物群”早於“埃迪卡拉生物群”的認識。這樣，動物起源和早期進化的模式和過程就需要在新的時間坐標上重新認識。
朱博士說，地質年代測定的精度和密度越高，對不同地質環境與生物演化事件關系的認識就越高。這壹次，他們公布的年齡只是確認了7.5億年至5.3億年前關鍵地質時期發生的壹系列重要環境和生物演化事件的幾個年齡。這壹時期還有許多重要事件需要用不同的研究方法來揭示，事件發生的年代和時間需要先後確定，比如這壹階段的三次冰期各自的持續時間和間隔時間還沒有確定，動物首次出現時間的確定是通過與其他地區的年代對比得出的。同時，新時代將促使地質學家對地球歷史上這壹關鍵轉折階段的時間劃分提出新的方案，因此相關研究將繼續進行。
中國科學院