寒武紀生命為何“井噴”？科學家找到了宇宙“指揮棒”

在距今約5.4億年前的寒武紀早期，地球上演了一場壯麗的生命交響樂。幾乎所有現生動物門類在地質歷史的瞬間同時登場，這場被稱為“寒武紀大爆發”的演化奇跡，至今仍是地球生命史上最令人著迷的謎團之一。最近，中國科學院南京地質古生物研究所研究團隊聯合英國利茲大學、河海大學、南京大學等機構的科研人員，通過跨學科研究揭示了一個驚人的發現：這場生命大爆發可能有著來自太空的“節拍器”——地球軌道的長周期變化。

生命大爆發的神秘脈動

如果我們能夠穿越時空，回到寒武紀的海洋，會看到一幅奇特的景象：生命的繁榮并非一蹴而就，而是像潮汐般起起落落。古生物學家們在西伯利亞地臺的巖層中發現，從約5.24億年到5.14億年前，海洋動物的多樣性呈現出明顯的周期性變化，大約每200萬年至300萬年就會出現一次繁榮高峰。

更加引人注目的是，這種生物多樣性的脈沖式變化并非孤立現象。研究團隊發現，每當生物多樣性達到高峰時，海水中的碳同位素和硫同位素也會同步出現顯著的偏移。這種同步性絕非巧合——碳同位素的變化反映著有機碳埋藏的強度，而硫同位素則記錄著黃鐵礦形成的速率，兩者共同指示著一個關鍵的環境因子：氧氣含量的變化。

當有機碳和黃鐵礦大量埋藏在海底沉積物中時，原本會消耗氧氣的物質被封存起來，導致大氣和海洋中的氧氣含量上升。這就像是地球系統的一個天然“氧氣泵”，而寒武紀早期這個泵似乎在有規律地工作著。每一次“泵送”都為海洋生物創造了更好的生存條件，推動著動物演化的步伐。

地質沉積物的性質經常是循環變化的，這種變化在沉積層記錄中清晰可見。從圖中可以看出，不同顏色和層理強度的變化反映了這種周期性的沉積過程。

（圖片來源：維基百科）

地球軌道的隱秘指揮

是什么力量在控制著這個“氧氣泵”的節奏？研究團隊將目光投向了太空。地球圍繞太陽運行的軌道并非一成不變，它會在數百萬年的時間尺度上發生周期性變化。這些變化雖然細微，卻能顯著影響地球表面接收太陽輻射的分布，進而改變全球氣候格局。

通過對西伯利亞和全球多個地點的碳、硫同位素記錄進行頻譜分析，研究團隊發現了一個驚人的巧合：這些地球化學記錄中存在著120萬年、260萬年和450萬年的周期性變化，這與地球軌道參數的長周期變化高度吻合。這種吻合絕非偶然——它暗示著一個深刻的地球系統反饋機制。

軌道變化如何影響生命演化？答案在于一個巧妙的連鎖反應。當地球軌道參數發生變化時，不同緯度地區接收的太陽輻射會出現差異，這種差異在高緯度地區尤為明顯。寒武紀時期，大陸主要分布在高緯度地區，這些地區的氣候變化直接影響著巖石的風化作用。當氣候變暖、降雨增加時，大陸巖石的風化作用增強，更多的營養物質——特別是磷——被河流攜帶進入海洋。

磷是海洋生產力的關鍵限制因子。當大量磷涌入海洋時，浮游植物迅速繁殖，通過光合作用產生大量氧氣。同時，繁茂的海洋生物死亡后沉入海底，形成富含有機碳的沉積物。這個過程不僅增加了海水中的氧氣含量，還通過埋藏有機碳進一步提升了大氣氧含量，為動物的繁榮創造了有利條件。

寒武紀時期的大陸分布圖

（圖片來源：維基百科）

數字世界中的遠古海洋

為了驗證這個假說，研究團隊采用了一種創新的研究方法：在計算機中重建寒武紀的地球系統。他們使用了名為SCION的深時地球系統箱式模型，這個模型能夠綜合考慮氣候、風化、海洋化學和生物地球化學循環等多個因素的相互作用。

研究人員首先在模型中加入了軌道驅動的氣候變化因子。他們發現，僅僅0.97°C每平方米瓦特的溫度變化，就足以在模型中產生與地質記錄相似的碳、硫同位素周期性變化。當軌道驅動的溫度變化導致高緯度地區變暖時，風化作用增強，更多的磷進入海洋；反之，當溫度降低時，營養物質輸入減少，海洋生產力下降。

模型結果令人振奮：在軌道驅動下，海洋磷庫存、有機碳和黃鐵礦埋藏率都呈現出與地質記錄相似的周期性變化。更重要的是，模型預測的大氣氧含量變化與生物多樣性的變化趨勢高度一致——氧氣含量的峰值往往對應著生物多樣性的高峰，包括古杯動物在約5.24億年前的首次出現和三葉蟲在約5.21億年前的輻射演化。

硫酸鹽濃度的放大效應

研究團隊的另一個重要發現是，寒武紀海洋的特殊化學條件可能是這種軌道驅動機制能夠發揮作用的關鍵。當時的海洋硫酸鹽濃度極低，不及現代海洋的三分之一。這種低硫酸鹽環境就像一個敏感的放大器，將軌道驅動的營養物質輸入信號放大成巨大的環境變化。

通過模型敏感性實驗，研究人員發現了一個有趣的現象：當海洋硫酸鹽濃度較低時（如0.72-2.9毫摩爾），碳、硫同位素會呈現出明顯的同步正向偏移，變化幅度可達千分之二到千分之五；而當硫酸鹽濃度升高到6.1毫摩爾時，這種同步變化幾乎完全消失。這解釋了為什么在地質歷史的其他時期，尤其是硫酸鹽濃度較高的顯生宙中后期，很少觀察到類似的碳硫同位素耦合現象。

低硫酸鹽環境之所以能夠放大軌道信號，是因為在這種條件下，即使是較小的硫酸鹽輸入變化也會顯著影響黃鐵礦的形成速率。黃鐵礦的形成需要硫酸鹽和有機質在缺氧環境中反應，當硫酸鹽供應有限時，其濃度的輕微變化就會成為控制黃鐵礦埋藏的關鍵因素。這種敏感性使得軌道驅動的風化脈沖能夠在地球化學記錄中留下清晰的印記。

從遠古到今天的啟示

這項研究不僅對寒武紀大爆發的節奏之謎給出了令人信服的解釋，還為理解地球系統的長期演化提供了新的視角。它告訴我們，生命演化并非孤立的生物學過程，而是深深嵌入在地球-太陽系統的宏大框架之中。天文因素通過復雜的地球系統反饋，可以對生命演化產生深遠影響。

有趣的是，類似的軌道驅動機制可能在地質歷史的其他關鍵時期也發揮了作用。例如，早侏羅世也是一個低硫酸鹽時期，其碳同位素記錄同樣顯示出約250萬年的周期性變化。這表明，當地球系統處于某些特定狀態時，天文強迫可以成為驅動環境和生命演化的重要因素。

對于現代地球系統研究，這項工作也具有重要啟示。它提醒我們，地球系統的敏感性并非恒定不變，而是取決于系統的背景狀態。在某些條件下，看似微小的外部擾動可能引發巨大的系統響應。理解這種非線性反饋對于預測未來氣候變化和生態系統演化具有重要意義。

澄江動物群（代表性的寒武紀生物大爆發遺跡）中涌現的部分代表性化石

（圖片來源：維基百科）

宇宙韻律中的生命華章

站在21世紀的今天回望寒武紀，我們看到的不再是一個混沌的遠古世界，而是一個精密運轉的地球系統。在這個系統中，來自太陽系的軌道韻律通過大陸風化、海洋化學和生物地球化學循環的復雜網絡，最終轉化為生命演化的節拍。中國科學院南京地質古生物研究所的這項研究，通過將古生物學、地球化學和數值模擬相結合，為我們描繪了一幅壯麗的圖景：寒武紀大爆發不是一場無序的生命狂歡，而是在宇宙韻律指揮下的有序演化。

這個發現提醒我們，地球生命的故事從來都不是孤立的篇章。從遙遠的恒星到微小的細胞，從緩慢的軌道變化到快速的生物演化，宇宙的各個層面通過復雜而優美的方式相互聯系。正是這種聯系，造就了我們這個充滿生機的藍色星球，也為我們理解生命的起源、演化和未來提供了全新的視角。在浩瀚的宇宙中，地球生命隨著天體的節拍起舞，書寫著屬于自己的華彩樂章。

參考文獻：

【1】Zhang, Y., Mills, B. J. W., Newton, R. J., He, T., Roper, A., Yang, T., & Zhu, M. (2025). Orbitally-driven nutrient pulses linked to early Cambrian periodic oxygenation and animal radiation. Geophysical Research Letters, 52, e2025GL118689. https://doi.org/10.1029/2025GL118689

出品：科普中國

作者：夏至（大阪大學）

監制：中國科普博覽