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距今5.38億—6.35億年前，深層海水或許已經(jīng)開始大規(guī)模氧化，這段時期海洋中出現(xiàn)了大量復(fù)雜多細(xì)胞生物，被認(rèn)為是地球生命演化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折時期。但是，過去的研究卻一直認(rèn)為當(dāng)時的深海仍然缺氧。

科技日報記者2月初從中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所獲悉，該所王偉副研究員等人的最新研究成果顯示，距今5.38億—6.35億年前的深層海水可能已經(jīng)開始大規(guī)模氧化，相關(guān)成果1月底在線發(fā)表于國際知名期刊《地質(zhì)學(xué)》。

氧氣是復(fù)雜多細(xì)胞生物得以生存和繁衍的重要條件之一?，F(xiàn)代海洋中從淺水至深水有足夠的氧氣可以供動植物生存需要，比如在西太平洋深達11000米的馬里亞納海溝，已確認(rèn)在約8500米處發(fā)現(xiàn)魚類等動物生存，但在5億年前的古海洋卻并非如此。

一般認(rèn)為，顯生宙(大約5.4億年前至今)植物完全出現(xiàn)后，現(xiàn)代氧化海洋的雛形才完全形成，之前的海洋環(huán)境總是在氧化—缺氧之間反反復(fù)復(fù)。

近年來，科學(xué)家已在埃迪卡拉紀(jì)地層中找到大量由復(fù)雜多細(xì)胞生命組成的化石生物群，例如：華南揚子地臺的“藍(lán)田生物群”“甕安生物群”“廟河生物群”及“石板灘生物群”等。復(fù)雜多細(xì)胞生物的生命活動需要消耗大量氧氣，它們的出現(xiàn)代表著當(dāng)時海洋環(huán)境中含氧量的增高，但是這卻與過去的研究結(jié)果相反。

南京地質(zhì)古生物研究所王偉副研究員、關(guān)成國助理研究員和周傳明研究員等與中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所同事合作，利用黃鐵礦硫同位素原位微區(qū)分析方法，并結(jié)合巖石學(xué)和礦物學(xué)分析，揭示了埃迪卡拉紀(jì)海洋中的硫酸根庫容量比先前估計的要高，表明當(dāng)時深層海水可能已經(jīng)開始大規(guī)模氧化。

硫同位素方法是恢復(fù)古海洋環(huán)境的重要手段之一。地質(zhì)歷史時期古海洋環(huán)境的恢復(fù)多借助于地球化學(xué)手段，硫同位素是其中最常用的地化指標(biāo)之一。在大氣含氧量普遍較低的情況下，陸源硫酸根離子是海洋的重要氧化劑，對古海洋深水區(qū)的氧化起到關(guān)鍵性作用，充足的硫酸根庫是古海洋深水氧化的重要前提。

地質(zhì)歷史時期古海洋中的硫酸根濃度無法直接測得，其濃度水平一般用古海洋中硫同位素分餾程度來表征。王偉認(rèn)為，以往傳統(tǒng)硫同位素方法的應(yīng)用多采取全巖分析手段，缺乏系統(tǒng)的巖石學(xué)和礦物學(xué)分析，并未充分考慮沉積硫化物(例如黃鐵礦)形成過程及其后期成巖作用的復(fù)雜性。早期的方法有可能導(dǎo)致所提取的古海水中的同位素信號疊加了其他介質(zhì)(例如孔隙水、成巖后期的地下水體)的信號，致使我們對當(dāng)時海洋水體的氧化還原狀態(tài)的認(rèn)識產(chǎn)生偏差。

研究人員以新鮮的藍(lán)田巖芯樣品為研究對象，把巖石標(biāo)本進行仔細(xì)的切片拋光，在光學(xué)顯微鏡下仔細(xì)觀察黃鐵礦的形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)黃鐵礦具有不同的形態(tài)特征。他們又運用掃描電鏡，在微米尺度下對黃鐵礦的形態(tài)進行觀察，并運用SIMS質(zhì)譜，對黃鐵礦原位微區(qū)同位素組成進行打點測試。

在實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究團隊運用數(shù)學(xué)模型，初步估算了當(dāng)時海洋的硫酸根濃度的低估量，得出這樣的結(jié)論：埃迪卡拉紀(jì)深水區(qū)的硫酸根濃度此前被嚴(yán)重低估，海洋中的硫酸根庫容量可能已經(jīng)足夠滿足深層海水的氧化，這表明古海洋深層海水在“雪球地球事件”結(jié)束后可能已經(jīng)開始了大規(guī)模氧化，從而為復(fù)雜多細(xì)胞生命的發(fā)展提供了保障。

這項研究成果，從新的視角推翻了以前關(guān)于埃迪卡拉紀(jì)古海洋深水氧化能力的研究，認(rèn)為6億年前的古海水深水區(qū)已經(jīng)有發(fā)生大規(guī)模氧化的能力，這為深水復(fù)雜生命的出現(xiàn)提供了有利保障，也在一定層面上解答了為什么在6億年的海洋深水中出現(xiàn)了“藍(lán)田生物群”。同時，本研究指出全巖硫同位素指標(biāo)在古環(huán)境重建中存在一定的局限性，并提供了相應(yīng)的解決方案。

本報記者 張 曄