寒武紀(jì)大爆發(fā)的 “起搏器”

軌道驅(qū)動的營養(yǎng)物質(zhì)輸入

引發(fā)氧含量的周期性變化

寒武紀(jì)大爆發(fā)是地球生命演化史上最關(guān)鍵的里程碑事件之一，導(dǎo)致幾乎所有現(xiàn)生動物門類快速在地球上出現(xiàn)。已有古生物和地球化學(xué)證據(jù)表明，動物在寒武紀(jì)早期的爆發(fā)過程呈現(xiàn)出“脈沖式”的演化模式，并伴隨著海水無機碳、硫酸鹽硫同位素的同步波動，被認(rèn)為可能與大氣和淺海的周期性“增氧”直接相關(guān)。然而，調(diào)控這一時期脈沖式增氧的驅(qū)動機制尚不可知。

中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所朱茂炎研究團隊的博士后張瑩剛，與英國利茲大學(xué)Benjamin Mills和Robert Newton、河海大學(xué)何天辰和南京大學(xué)楊濤等合作，通過頻譜分析和地球系統(tǒng)箱式模型模擬，揭示了地球長時間尺度的軌道變化可能是這一脈沖式增氧過程的幕后推手。相關(guān)研究成果近期發(fā)表于自然指數(shù)期刊《地球物理研究通訊》（Geophysical Research Letters）上。

早在2019年，朱茂炎的中英合作研究團隊利用俄羅斯西伯利亞寒武紀(jì)早期連續(xù)的碳酸鹽巖地層剖面獲得樣品的研究，揭示寒武紀(jì)早期（約524–514百萬年前）海洋動物多樣性在約2–3百萬年的時間尺度上呈現(xiàn)周期性變化，與海水碳、硫同位素的同步漂移在時間上高度吻合。他們認(rèn)為，全球有機碳和黃鐵礦埋藏的周期性變化導(dǎo)致了大氣和淺海氧含量的周期性波動，進(jìn)而影響了海洋動物的早期演化模式（He et al., 2019, Nature Geoscience）。

在此基礎(chǔ)上，研究團隊進(jìn)一步指出，這些百萬年尺度的地球表層環(huán)境變化，很可能是由長周期的地球軌道變化所驅(qū)動。軌道變化通過改變地球不同緯度接收太陽輻射的分布差異，導(dǎo)致氣候周期性波動。這一周期性變化很可能影響了大陸的風(fēng)化作用強度，以及磷等關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)向海洋的輸送。營養(yǎng)物質(zhì)的周期性輸入，刺激海洋光合作用和有機碳埋藏，從而導(dǎo)致大氣和海洋氧含量的周期性增加。

為論證這一假說，研究團隊首先對已發(fā)表的寒武紀(jì)早期碳–硫同位素記錄進(jìn)行了頻譜分析，結(jié)果顯示這一時期碳、硫同位素記錄中存在1.2、2.6和4.5百萬年的長周期變化，與長周期軌道變化周期一致。

隨后，研究團隊在最新的深時地球系統(tǒng)箱式模型（SCION）中首次添加了氣候軌道驅(qū)動因子，對這一過程開展了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，軌道驅(qū)動的氣候變化可以成功復(fù)現(xiàn)海水碳–硫同位素的同步周期性變化，論證了這一假說的可行性。

此外，模型敏感度實驗表明，海洋中的低硫酸鹽濃度是寒武紀(jì)地球系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要短板，很可能放大了碳–硫–氧生物地球化學(xué)循環(huán)對軌道驅(qū)動營養(yǎng)物質(zhì)輸入的響應(yīng)幅度。該項研究對理解寒武紀(jì)生命大爆發(fā)節(jié)拍和其他時期周期性的碳、硫、氧循環(huán)提供了新思路和新視角。

此項研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、江蘇省卓越博士后計劃以及英國自然環(huán)境研究理事會的聯(lián)合資助。

◎論文相關(guān)信息：

He T*, Zhu M*, Mills BJW, Wynn PM, Zhuravlev AY, Tostevin R, et al. Possible links between extreme oxygen perturbations and the cambrian radiation of animals. Nat Geosci 2019;12:468–74. https://doi.org/10.1038/s41561-019-0357-z.

Zhang Y, Mills BJW, Newton RJ, He T, Roper A, Yang T*, Zhu M*. Orbitally‐driven nutrient pulses linked to early cambrian periodic oxygenation and animal radiation. Geophys Res Lett 2025;52:e2025GL118689. https://doi.org/10.1029/2025GL118689.