小生物，大影响：蠕虫推动奥陶纪生物多样性爆发

【中国绿发会讯】我们地球的历史很长，有一段时间持续了三千万年的变化，结果出现了很多新的动植物种类。这可能要归功于一些最平凡的生物。“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到：根据美国约翰斯·霍普金斯大学研究人员发表在《地球化学与宇宙化学学报》（Geochimica et Cosmochimica Acta）上的一项最新研究，地球历史上一段重要的生物多样性爆发——持续约3000万年的进化变化期，催生了无数新物种，可能要归功于最不起眼的生物：蠕虫。

蠕虫挖掘行为启动生物多样性爆发

约480百万年前，史前蠕虫和其他无脊椎动物在海洋底部的挖掘和钻洞行为引发了一系列释放氧气到海洋和大气中的事件，推动了被称为奥陶纪生物多样性大事件（Great Ordovician Biodiversification Event）——一场史诗级的生物多样性爆发。该研究的资深作者、地球与行星科学系的助理教授玛雅·戈麦斯（Maya Gomes）表示：“真是令人难以置信，这么小的动物，那些今天已经不存在的生物，竟然能够以如此深远的方式改变进化历史的进程。通过这项工作，我们将能够研究早期海洋的化学成分，并重新解释部分地质记录。”

更新模型揭示氧气水平变化级标题

为了更好地理解氧气水平的变化如何影响大规模的进化事件，戈麦斯和她的研究团队更新了描述数亿年间氧气增加时间和速度的模型。他们研究了由部分蠕虫挖掘引起的沉积物混合与一种叫做黄铁矿（FeS2，pyrite）的矿物之间的关系，这种矿物在氧气积累中起着关键作用。研究发现，形成并被埋在泥、淤泥或沙子下的黄铁矿越多，氧气水平就越高。

研究人员在切萨皮克湾（Chesapeake Bay）马里兰海岸沿线九个地点测量了黄铁矿，这些地点被用作早期海洋环境的替代。即使只有几厘米沉积物混合的地点也比没有混合和深度混合的地点拥有显著更多的黄铁矿。

（图1. 切萨皮克湾地图，显示了2005年夏季海底溶解氧浓度的平均值（Wicks等人，2007）。核心站点位置用白色标记表示。站点名称旁边的彩色符号在后续图表中用于表示每个站点。图片来源：Kalev Hantsoo et al）

挑战传统观点的新发现

戈麦斯指出，这些发现挑战了之前认为黄铁矿与沉积物混合的关系在不同栖息地和时间保持不变的假设。传统观点认为，当动物在海底挖掘搅动沉积物时，新出土的黄铁矿会被水中的氧气暴露和破坏，这一过程最终会阻止氧气在大气和海洋中的积累。混合的沉积物，被视为氧气水平保持稳定的证据。

然而，新的数据表明，在氧气含量非常低的水中，少量的沉积物混合会使埋藏的黄铁矿、硫和有机碳暴露在足够的氧气中，以启动更多黄铁矿的形成。约翰斯·霍普金斯大学的博士候选人、该文章的第一作者卡莱夫·汉索（Kalev Hantsoo）表示：“这有点像‘金发姑娘’的故事。条件必须恰到好处。你需要有一点混合把氧气带入沉积物，但不能太多，否则氧气会破坏所有的黄铁矿，没有净积累。”

新模型揭示氧气积累与生物多样性关系

当研究人员将这种黄铁矿与沉积物混合深度之间的新关系应用于现有模型时，他们发现氧气水平在数百万年内相对平稳，然后在古生代（Paleozoic Era）期间上升，在奥陶纪（Ordovician Period）期间急剧上升。研究人员表示，额外的氧气，可能促成了奥陶纪生物多样性大事件，当时新物种迅速繁荣。

“总是有人在问，氧气水平与进化力量加速和地球上生命多样性增加的历史时刻之间有什么关系，”戈麦斯说。“寒武纪时期（Cambrian Period）也有一次大规模的物种生成事件，但新的模型使我们能够排除氧气，专注于其他可能推动那时进化的因素。”

通过这些研究，科学家们进一步揭示了地球早期生命演化与环境条件之间的复杂关系，为理解地球生物多样性的起源提供了新的视角。

感兴趣的“海洋与湿地”读者可以参看这项研究的全文，参见：

Kalev Hantsoo et al, Trends in estuarine pyrite formation point to an alternative model for Paleozoic pyrite burial, Geochimica et Cosmochimica Acta (2024). DOI: 10.1016/j.gca.2024.04.018

海洋与湿地·小百科

奥陶纪生物多样性大事件

奥陶纪生物多样性大事件（Great Ordovician Biodiversification Event，GOBE）是地球历史上一个重要的生物多样性爆发时期，发生在大约4.85亿~4.45亿年前的奥陶纪。在这一时期，地球上的生物种类迅速而广泛地增加，出现了大量新的物种和生物门类。GOBE不仅仅是物种数量的增加，更是生态系统结构和复杂性的显著提升，许多现代海洋生态系统的基本结构都在这一时期奠定。

这一事件的驱动因素包括海洋化学条件的变化（如氧气含量的增加）、大陆漂移和板块运动导致的海洋和栖息地扩展，以及气候变化带来的环境多样性增加。奥陶纪生物多样性大事件为后来的生物进化奠定了基础，并显著改变了地球的生物面貌，是理解地球生物演化史的关键事件之一。

黄铁矿

黄铁矿（Pyrite），化学式为FeS2，是一种常见的硫化铁矿物。它通常呈金属光泽的黄色晶体，因其类似于黄金的外观而被俗称为“愚人金”。黄铁矿在自然界中广泛分布，常见于沉积岩、火成岩和变质岩中，也可以在火山喷发和沉积过程中形成。

黄铁矿是一种重要的矿物资源，常见于煤矿、金属矿床和沉积岩中，经济价值较高。此外，黄铁矿还在地球科学研究中发挥着重要作用，因为它可以作为古环境和古气候的指示剂。在地质记录中，黄铁矿的存在可以反映出当时的地球化学条件和沉积环境，对研究地球历史和地质过程具有重要意义。

对于“海洋与湿地”公众号今天介绍的这个研究来说，该研究中发现，早期生物（如蠕虫和其他无脊椎动物）在海底挖掘和钻洞的行为，可能促进了黄铁矿的形成、沉积。这些活动会混合沉积物，使埋藏在底部的黄铁矿暴露在氧气中，从而促进了新的黄铁矿的形成。反过来，今天通过分析黄铁矿的分布和特征，可以推断出当时的海洋环境和氧气水平，进而理解生物多样性爆发的可能原因和机制。因此，黄铁矿在生物多样性研究中被用作地球化学指标，帮助科学家们重建过去的生态系统和生物演化历史。

思考题 | 举一反三

这篇约翰斯·霍普金斯大学研究人员在《地球化学与宇宙化学学报》上发表的新发现，揭示了史前蠕虫和其他无脊椎动物在海洋底部的挖掘和钻洞行为引发了一系列释放氧气到海洋和大气中的事件，并帮助“启动”了大约4.8亿年前的奥陶纪生物多样性大事件。

Q1. 早期海洋环境中的低氧条件，如何具体影响了黄铁矿的形成和埋藏效率？蠕虫和其他无脊椎动物的挖掘行为，如何在不同地质时期和不同海洋环境中影响沉积物的化学成分？

Q2. 奥陶纪生物多样性大事件与其他地质时期生物多样性爆发事件的驱动因素有哪些相似和不同之处？

Q3. 现代类比研究（如切萨皮克湾的沉积环境研究），对理解早期地球生物和地球化学过程有何启示？

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编译 | 王芊佳

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排版 | 绿叶

【参考资料】

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S001670372400187X

https://phys.org/news/2024-06-hero-evolution-worms.html

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001670372400187X

本文来自“海洋与湿地”微信公众号