地球深部“引擎”如何驅動生命大爆發？ | 科技前線

在距今約5.4億至5.15億年前的寒武紀初期，地球生命經歷了一場波瀾壯闊的大爆發，復雜多樣的多門類動物在演化史上突然出現。科學界認為，充沛的營養物質（如磷）和上升的氧氣水平是這場革命的兩個關鍵環境因素。然而，究竟是什么全球性事件在此刻按下了“啟動按鈕”？

近日，由中國科學院廣州地球化學研究所、中國科學院地球化學研究所聯合國內外研究團隊找到了關鍵的地球化學證據，揭示了地球深部“引擎”驅動生命大爆發的新機制。

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地球化學“指紋”

此前研究曾聚焦于大陸碰撞造山帶來的風化作用，但其主要活動期遠早于生命大爆發，時間上難以吻合。

隨著研究的深入，一個與生命爆發時間高度重疊的“嫌疑人”浮出水面——岡瓦納大陸邊緣活躍的大陸弧火山。大陸弧火山如同地球的“深部物質輸送機”和“全球加熱器”。它噴發出新鮮且富磷的火山巖，同時釋放二氧化碳導致氣候變暖，從而引發強烈的風化作用，向海洋輸送營養物質。

但這一設想需要實證支持。

為了證實設想，研究團隊的核心任務就是從海洋沉積物中，尋找到能夠證明“大量新鮮火山巖被快速風化”的地球化學記錄。

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破譯古老海洋“密碼”

研究團隊系統分析了華南揚子地塊多種沉積巖樣品的三種關鍵同位素。

鋨（Os）和鍶（Sr）同位素可作為物質來源的“指示劑”，其在5.4億年至5.25億年前，這兩種同位素比值均顯著變輕，明確指示有大量源自深部地幔的新鮮火山物質輸入海洋。

鋰（Li）同位素可作為巖石風化強度的“速度表”， 在同一時期出現急劇下降，表明風化作用劇烈，新鮮巖石被快速溶解。

這三項指標同步發生的“負漂移”，構成了一個可靠的證據鏈，揭示了地球在該時期經歷了富磷新鮮火山巖快速風化事件。

▲構造運動、沉積磷塊巖、同位素地球化學記錄與生物多樣性模式關系圖

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演化新模型

基于關鍵證據，研究團隊勾勒出地球深部活動驅動生命大爆發的完整因果圖景。

啟動階段（約550 Ma—540 Ma）：岡瓦納大陸邊緣的俯沖作用導致地殼增厚，同時弧火山活動向大氣釋放大量二氧化碳，引發全球氣候變暖，打開了強烈風化的“開關”。

孕育階段（約540 Ma—525 Ma）：大陸弧火山活動達到高峰，噴發出巨量火山巖。這些巖石在溫暖氣候下經歷快速風化，將其內部富含的磷等關鍵營養元素大量輸送至海洋。磷的激增促進了海洋藻類的勃發，隨之而來的有機質埋藏導致大氣氧含量顯著上升。當氧氣水平達到支持大型、高能耗動物生存的臨界點時，寒武紀大爆發的序幕就此拉開。

綻放階段（約525 Ma—515 Ma）：風化模式轉變為以形成黏土礦物為主的不一致風化。這些黏土礦物進入海洋后，進一步促進了有機質的高效埋藏，如同一個“超級氧氣泵”，鞏固并提升了大氣氧氣水平，最終拉開了寒武紀生命大爆發的主幕。

▲俯沖和弧火山驅動的風化和海水化學演化三階段模型圖

該研究成功揭示了從地球深部到淺表環境并最終觸發生命演化的完整因果鏈條，不僅詮釋了地球多圈層協同演化的復雜性和深部過程對地球宜居性的塑造機制，也為寒武系頁巖氣勘探有利區帶遴選提供了技術支撐。

來源：中國科學院廣州地球化學研究所

責任編輯：曹旸