在漫長(cháng)的46億年地質(zhì)歷史時(shí)期，生命從出現到分化，然后到滅絕，再到重生，起伏不斷，并且伴隨著(zhù)地球上各種重大環(huán)境轉變。從上個(gè)世紀開(kāi)始，“地球生命的產(chǎn)生”的科學(xué)命題就被全球科學(xué)家所關(guān)注，近幾十年來(lái)獲得了很多新認識，但也爭議不斷，其中“地球生命在何處產(chǎn)生、如何產(chǎn)生”還被 Science 雜志列為125個(gè)最具挑戰的科學(xué)問(wèn)題之一。

　　埃迪卡拉紀-寒武紀過(guò)渡時(shí)期：地球動(dòng)物起源與快速分化

　　從埃迪卡拉紀早期到寒武紀早期約1.2億年內，地球發(fā)生了一系列特殊的地質(zhì)事件，包括最后一次雪球事件的結束、羅迪尼亞超大陸的裂解、大量低緯度邊緣海的形成以及全球古海洋地球化學(xué)成分的劇烈波動(dòng)。在這一時(shí)期，埃迪卡拉紀生物事件和寒武紀生命大爆發(fā)見(jiàn)證了地球動(dòng)物的起源和快速分化，幾乎所有能保存在地層記錄里的現生動(dòng)物門(mén)類(lèi)的祖先，在寒武紀早期短短2000多萬(wàn)年時(shí)間內涌現了出來(lái)。

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寒武紀生命大爆發(fā)時(shí)期的清江動(dòng)物群

　　關(guān)于埃迪卡拉紀生物事件和寒武紀生命大爆發(fā)的背后原因還有爭議，這一時(shí)期的動(dòng)物革新主要體現在體積大型化、骨骼化、可捕食性和可移動(dòng)性等等，這種宏體動(dòng)物的出現對代謝能量有要求，可能指示了當時(shí)海水的氧化還原條件發(fā)生了變化。前人研究發(fā)現，在新元古代到早寒武世這一時(shí)期，全球海洋的氧化還原條件可能發(fā)生了根本性的變化，這次事件叫做新元古代大氧化事件，但是不同的氧化還原指標指示的海水氧化還原結構并不一致。

　　除了氧氣以外，營(yíng)養和食物的供給對于復雜生命的出現和生長(cháng)也是必須的。實(shí)驗和模擬發(fā)現，營(yíng)養元素供給增加(比如氮)有利于產(chǎn)生體積更大的初級生產(chǎn)者，比如真核藻類(lèi)，而這些初級生產(chǎn)者的出現又會(huì )推動(dòng)早期動(dòng)物的演化。真核生物中的藻類(lèi)和動(dòng)物，不能直接利用大氣中的N2，只能依靠海水供給的生物可利用氮，比如硝酸鹽和溶解有機氮。因此評估當時(shí)生物棲息地的氮供給情況有利于理解動(dòng)物演化和環(huán)境之間的因果關(guān)系。

　　氮同位素：揭示生物與海洋的協(xié)同演化

　　華南揚子地區保存了世界上從埃迪卡拉紀到寒武紀最完整的地層記錄之一，這些地層含有豐富的生物化石，為研究埃迪卡拉紀-寒武紀過(guò)渡時(shí)期的生物演化提供了很好的素材。

華南宜昌地區的寒武系地層，里面富含海綿、三葉蟲(chóng)等動(dòng)物化石

　　氮既是生命必須的宏量營(yíng)養元素，又是氧化還原敏感元素。為了更好地重建埃迪卡拉紀-寒武紀過(guò)渡時(shí)期海水的氧化還原結構、生物可利用氮的供給情況與生物演化之間的關(guān)系，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的科研人員，與加州大學(xué)河濱分校、圣安德魯斯大學(xué)、弗吉尼亞理工大學(xué)和亞利桑那州立大學(xué)的科研人員進(jìn)行合作，通過(guò)分析中國華南揚子海埃迪卡拉紀到寒武紀早期沉積物的氮同位素，系統論證了當時(shí)揚子海生物與海洋氮循環(huán)的協(xié)同演化關(guān)系。

　　研究人員發(fā)現當時(shí)海洋的氧化還原結構跟現在的不一樣，總體為氧化還原上下分層。根據埃迪卡拉紀揚子海氮同位素的盆地梯度，他們提出研究區，即上揚子斜坡地區，可能缺氧上升流發(fā)育，氧化還原界面較高，表面硝酸鹽儲庫被還原消耗得最明顯。盡管如此，表層水體依然存在生物可利用硝酸鹽。

　　到了寒武紀第二期末期鎳鉬多金屬層附近，華南氮同位素值下降到最低，結合沉積物中的碳氮關(guān)系，研究人員提出當時(shí)揚子海氧化還原界面可能在透光區內部，深部水體銨NH4+上涌導致NH4+不完全吸收利用，而溶解NH4+的形成可能跟硫酸鹽還原有機質(zhì)厭氧氧化有關(guān)。

　　該研究表明，在埃迪卡拉紀，揚子海的氧化還原界面可能在透光區底界附近。豐富的硝酸鹽供給促進(jìn)了埃迪卡拉紀宏體多細胞藻類(lèi)的演化，淺水的氧化條件給多細胞動(dòng)物提供了很好的生存環(huán)境。到了寒武紀第二期末期，揚子海氧化還原界面可能透光區內部，較淺的氧化還原界面可能跟華南小殼動(dòng)物群滅絕有關(guān)。

　　上述工作得到國家自然科學(xué)基金委、美國國家科學(xué)基金會(huì )和美國國家航空航天局等項目的聯(lián)合資助，研究成果已發(fā)表在《地球化學(xué)與宇宙化學(xué)學(xué)報》上(Chen Y， Diamond C W， Stüeken E E， et al。 Coupled evolution of nitrogen cycling and redoxcline dynamics on the Yangtze Block across the Ediacaran-Cambrian transition[J]。 Geochimica et Cosmochimica Acta， 2019， 257： 243-265。 doi： 10.1016/j.gca.2019.05.017)。

埃迪卡拉紀-寒武紀過(guò)渡時(shí)期揚子地區的氮循環(huán)模式示意圖

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