成层海盆为早期动物进化提供了新线索

加州大学里弗赛德分校、加州理工大学和中国科学院的联合实地研究组。前排左起：J Huang, L. Feng, C. Li, Q. Zhang；中排X. Chu；后排左起H. Chang, G. Love, A. Sessions 和 T. Lyons

在现代的富硫海洋中，在贫氧海水中的硫化氢与铁发生反应，形成了黄铁矿，从而把溶解在水体中的铁去除。但是这组科学家的研究成果表明，在早期海洋的特定地球化学环境下，当溶解的硫（海洋中的硫化氢的来源）以及氧的浓度比现代海洋低很多的时候，含硫水层可能与含铁水层共存，甚至在很长的时期中共存。

“这是对古海洋化学的一个全新的解释，”加州大学里弗赛德分校地球科学系的科研专家、该论文的第一作者Chao Li说。“我们的模型为地球上最早的动物的进化提供了全新的背景。我们证明了含硫海洋楔再加上缺乏氧可能阻碍早期动物在浅海海底的定居并影响它们在找到立足之处的时候的进化。换句话说，在研究动物和其他真核生物（如藻类）在地球上如何进化的时候，我们不能忽略硫化氢。”

这组科学家提出，他们的关于分层海盆的可靠模式是前寒武纪海洋化学研究的新范式的最好的例子。他们预计其他地方的很多早期海洋的记录将表现出与在中国南方发现的复杂化学分层相似的性质。

“这种新的世界秩序要求我们考虑到海盆水化学的同时发生的空间变化，特别是当沿着大陆架从沿海浅海逐步进入深水的时侯，以及在应用一大批互补的地球化学分析从而查明这种海洋化学的变化的时候，”生物地球化学助理教授、该论文的作者之一、Li的实验室同事Gordon Love说。

Li解释说，在科学文献中，在埃迪卡拉系时期观察到的早期动物化石记录基本不完整在很大程度上被归结于化石的保存不良。然而，这项新的研究显示，环境条件的变化——在本研究中，是硫化氢分布的变化——可能解释在埃迪卡拉系化石记录中观察到鸿沟。

“我们的模型指出，即便在大陆架的浅水区域，早期动物也需要应对变化的化学环境，” 国家科学基金会（NSF）资助的该研究的研究组长Love说。“有时候，有毒的富硫海水运动到了浅水区域，这可能对于动物有灾难性的影响。这可以充分解释了在大多数埃迪卡拉系海盆中动物化石时间记录的不完整。”

生物地球化学教授、这个NSF资助的研究的共同研究组长Timothy Lyons解释说，尽管做了大量的工作，在陡山沱组只发掘出了不完整的动物微化石的时间记录。

“动物的明确化石证据的大部分是以仅仅在少数沉积层发现的微化石包囊的形式出现的，这提示早期动物受到了环境的胁迫，”他说。“这种模式的一个解释肯定在我们的模型中。”

这组科学家说，在海洋长期缺乏氧之后，海水中溶解的硫酸盐的总体缺乏有利于产生分层的海盆。通常，硫因为陆地硫矿物接触到含有光合作用生产的氧的大气而被风化从而进入了海洋。但是这组科学家提出，在陡山沱组之前的大型冰川化事件让硫的不足更加恶化。他们指出，如果冰川化是全球范围的，海洋与大气的气体和化学相互作用将会被覆盖了许多区域的一层冰抑制住。

“随着覆盖的冰像馅饼外皮一样封锁了海洋内部，把它和大气隔开，海洋化学发生了变化，”Love说。“这种覆冰的作用导致了河流输送到海洋的硫的减少，以及沿着洋中脊的火山活动提供的溶解在海水中的铁的积累。后来，随着覆冰减少，来自海流的硫输入让抑制动物的硫化氢楔局限在了海盆的浅水边缘。”