什么是寒武纪？揭秘5亿年前的地球悬案

本文经“中科院地质地球所”微信订阅号

授权转载，特此感谢！

关注中科院地质地球所，探索地球的奥秘

寒武纪之前

在谈寒武纪之前，我们不得不先介绍下寒武纪之前地球是什么样子：

是个大雪球()

在距今约7.5亿年到5.8亿年的新元古代，整个地球都处于完全冰封的状态。

距今约7.5亿到5.8亿年前的雪球地球

雪球地球的形成破坏了当时薄弱的依靠阳光进行生存的生态系统，但同时也带来了许多生命的机遇。在雪球内部，生命的传递依旧在延续着，冰层之下仍然有液态水。而海底热泉等为生命的延续与发展提供了庇护与保障。

现代洋底热泉——来自大西洋洋底

全球化的冰盖可能促进了多细胞生物的爆发

看似毫无生机的“雪球”内部，却正在孕育着对整个地球演化史都举足轻重的一次大爆发。随着板块运动的进行，岩浆活动使得CO2含量显著升高，雪球渐渐消融，便迎来了我们今天的主角——寒武纪。

寒武纪生物群——假想图

它是地球演化进程中显生宙的开端，此时最后一个全球大冰期（雪球地球）仅仅结束了数个百万年。它是漫漫地球演化岁月中第一个生物物种大爆发的时代，引领了大多数现代动物门类的发散。

1

什么是寒武纪（Cambrian）

寒武纪上承埃迪卡拉纪，下启奥陶纪，演化时代由距今541Ma（5亿4千1百万年）一直到485.4Ma，持续时间长达5560万年。

2017年国际年代地层表

“寒武纪（Cambrian）”这个名词最早于1835年由英国地质学家亚当·塞奇威克（Adam Sedgwick）引入地质文献。

英国地质学家

亚当·塞奇威克

这个名字来源于威尔士（Wales）地区一个古代地名“Cymru”的拉丁文名称。而中文名称“寒武纪”则来源于旧时日本人使用日语汉字音读的音译名“寒武纪”。

2

寒武纪与中国金钉子

“金钉子”是全球年代地层单位界线层型剖面和点位（GSSP）的俗称。一旦在某地方钉下“金钉子”，该地就变成一个地质年代的“国际标准”，对照它，便可以对应标出其他岩层的“年龄”，是地层年代统一的“度量衡”。

金钉子名字的起源——18k金制成的道钉

寒武纪的五个金钉子中，中国地质学家便贡献了三处金钉子，分别是位于湖南的排碧金钉子、古丈金钉子与浙江江山金钉子，分别于2003年，2008年与2011年被国际地科联批准。

自此，由于南京地质古生物研究所彭善池研究员及其团队的贡献，国际地层表中，寒武纪地层表有一统三阶（芙蓉统、古丈阶、排碧阶以及江山阶）以我国地名所命名。

3

寒武纪——生命演化史

寒武之初——生物大爆发的高潮

6亿年前泛非造山作用（Pan-African orogeny）形成了潘诺西亚超大陆（Pannotia），该超大陆在5亿4000万年前的前寒武纪分裂。

600Ma（六亿年前）的超大陆假想图

理论中的超大陆——潘诺西亚超大陆（Pannotia）545Ma

伴随着潘诺西亚超大陆（Pannotia）的裂解，雪球事件最终结束，地球迎来了大范围的回暖。此时尚处在新元古代埃迪卡拉纪，出现了最早的多细胞生物——刺胞生物。

埃迪卡拉纪生物群代表——狄更逊水母

很多研究者认为，多细胞生物的大爆发其实在新元古代埃迪卡拉纪已初现端倪，但是在埃迪卡拉与寒武之交，遍布全球的埃迪卡拉生物群迅速消失，取而代之的是寒武纪生物大爆发。

寒武纪生物大爆发的代表——三叶虫——加拿大伯吉斯页岩

与之前的生物爆发相比，寒武纪之初生物化石的门类与数量上升到了新的高度。在世界各地均有关于寒武纪生物化石的发现，但其中尤以中国云南澄江生物群与加拿大伯吉斯生物群最为典型。

加拿大伯吉斯生物群

伯吉斯页岩（Burgess Shale Formation）位于加拿大西北的英属哥伦比亚境内的落基山脉。

落基山脉

加拿大伯吉斯地区卫星影像图

伯吉斯页岩最早发现于1909年，加拿大古生物学家查尔斯·都利特·沃尔科特（Charles Doolittle Walcott）在当季野外调查将要结束的时候发现了这套页岩。他在1910年带着他的数个儿子回到该露头，在现在被称为化石岭（Fossil Ridge）的侧面建立了采石场开挖化石。由此揭开了伯吉斯生物群的神秘面纱。

加拿大伯吉斯地区沃尔科特采石场——出露大量化石

伯吉斯化石群保存种类繁多的寒武纪生物软组织化石闻名于世。

欧巴宾海蝎化石最早发现于伯吉斯页岩中，古生物学家经过复原后认为其拥有五个眼睛与一个类似真空吸尘器软管的口鼻部，结构与其他古生物大相径庭。

欧巴宾海蝎化石以及艺术家复原图

奇虾是另一种在伯吉斯常见的化石，也常见于中国、美国、加拿大、波兰及澳洲的寒武纪沉积岩。

伯吉斯页岩中最早发现的奇虾化石

奇虾（Anomalocaridids）是一类体型巨大、身体造型奇特的化石节肢动物，具有大而精细的复眼、特化的捕食前附肢、口锥和游泳桨状肢，表现出对捕食行为的高度适应。

奇虾体长最大可达2米，被认为是显生宙海洋生态系统中最早的顶级捕食者。

奇虾与正常人类对比

伯吉斯页岩中丰富的一种软体蠕虫Ottoia

马尔三叶形虫（Marrella）伯吉斯页岩中最常见的生物

中国云南澄江生物群

澄江生物群位于中国西南部云南澄江县境内，已经发掘出40多处散存的寒武纪多门类古生物群遗址，距今约5.20亿到5.25亿年，主要集中于帽天山页岩。

云南帽天山

1984年7月1日，南京地质古生物研究所的研究学者侯先光先生已在野外连续工作二十几天了，他持续寻找好的地层剖面，以采集当时他所专长早期寒武纪地层中的古介形虫化石。这天，他选择云南省澄江县帽天山西面山坡上的地层出露面开始系统采样工作，在发现两个不寻常化石之后，一种之前仅见于加拿大伯吉斯页岩中的节肢动物化石——纳罗虫（Naraoia），赫然出现在岩石的新劈开面。

1984年7月1日在帽天山上发现的第一块化石——纳罗虫

随后，又陆续发现了多个之前未曾发现并且保存软体的化石。其后持续的调查与研究，又发现了许多新类别的化石，距今五亿三千万年前的「澄江生物群」就这样被意外地发掘出来了。

抚仙湖虫——澄江生物群的代表生物之一埋藏在距今5.3亿年的澄江化石地

圆筒帽天山虫化石，属于寒武纪早期中段的生物

周小姐虫化石与

复原图

周小姐虫是在澄江牛蹄塘组（寒武纪第三阶）地层发现的一种早期小型海生节肢动物，大小可长至6公分，其命名来自中科院南京地质古生物所的古生物学家周桂琴，以表彰她对澄江动物群研究的贡献。

澄江生物群由于化石埋藏地质条件特殊，不但保存了生物硬体化石，而且保存了非常罕见的清晰生物软体印痕化石。其中，丰娇昆明鱼是已知最古老的脊椎动物，化石在5亿3千万年前寒武纪的地层被发现。它似乎是有由软骨构造的头颅骨及骨骼。

丰娇昆明鱼复原图——已知最早的脊椎动物

澄江动物群在世界范围内古生物研究史上具有独一无二的地位，它比加拿大的伯吉斯动物群丰富，而且年代方面更早一千万年，使我们得以窥见寒武纪生命大爆发时代的海洋景观。

1995年12月4日出刊的时代周刊，将澄江生物群誉为20世纪最重要的古生物发现。

2012年，澄江化石地入选联合国教科文组织世界遗产名录。

寒武纪初期的生命大爆发是地球生物演化史中里程碑式的事件，这一时期的化石群相当典型，非常多的不同种类的生物几乎同时在这一时期出现。

陈均远教授根据澄江动物群构思的第一幅寒武纪早期的海中生物群集

寒武纪大爆发的事实证据也曾让达尔文非常困惑，在《物种起源》中写道：“这件事情到现在为止都还没办法解释。所以，或许有些人刚好就可以用这个案例，来驳斥我提出的演化观点。”

1881年暮年达尔文

但即使到达尔文死后一百多年的今日，寒武纪大爆发依旧是科学界的一大谜题，尚待更多的考古证据出土，也许就能窥见当时的实际情况，找出真正的原因。

以生物爆发开始，以大灭绝谢幕

自从生命大爆发已经过去了5000多万年，湿润温暖的气候，使得寒武纪的地球成为当时生物物种的天堂。殊不知，历史上第一次生物大灭绝事件正在临近。

4.88亿年前，发生了一次生物集群灭绝事件。当时消灭了很多腕足动物门、牙形石及严重减少了三叶虫的物种数目，在地球上约49%的属都在这次事件中消失。

寒武纪腕足动物贝壳化石

牙形石化石

目前，生物灭绝的原因也没有真正发现。有学者认为源于海水缺氧。

缺氧事件或大洋缺氧事件指的是海洋中氧气缺乏的一段时期，期间海水中的硫化氢含量大幅增加。它在地质史上曾多次发生，同时伴随而来的是生物集群灭绝。因此生物地层学上将缺氧时间当成时间划分的一个重要指标。

缺氧事件生物灭绝地——红圈表示大规模灭绝地，黑点则是规模未知的灭绝地

也有部分研究人员认为源于极超新星爆发。如果一颗极超新星在地球附近的位置爆发，其高能辐射定会摧毁地球的生命。

海山二——位于船底座，是最接近极超新星的候选者

极超新星爆发会释放出伽马射线，其过程持续数秒便会严重破坏地球臭氧层，使得太阳释出的紫外线袭击地球，导致地面及近海面的大量生物死亡，从而破坏食物链。

以上原因都源于假设，真正的原因如何，还需要大量的证据来综合分析。

哈哈

生物大灭绝事件结束了古生代的寒武纪，并进入奥陶纪。

寒武纪最终谢幕！

END

参考文献：

[1] Orr, Patrick J., D. E. G. Briggs, and S. L. Kearns. "Cambrian Burgess Shale Animals Replicated in Clay Minerals." Science 281.5380(1998):1173-1175.

[2] Bowring, S. A., et al. "Calibrating rates of early Cambrian evolution. " Science 261.5126(1993):1293-1298.

[3] Compston, W. "Zircon U-Pb ages for the early Cambrian time-scale." J.geolog.soc 149.2(1992):171-184.

[4] 朱茂炎. "动物的起源和寒武纪大爆发:来自中国的化石证据." 古生物学报 49.3(2010):269-287.

[5] 陈均远等. "澄江生物群——寒武纪大爆发的见证." 国立自然科学博物馆 (1996).

[6] 舒德干等. "再论寒武纪大爆发与动物树成型." 古生物学报 48.3(2009):414-427.

部分图片来源于维基百科与相关论文杂志，如有侵权请告知

美术编辑：白雪银

校 对：陶 琴

公众号：中科院地质地球所

ID：dizhidiqiusuo

长按二维码关注我们

侠客地理授权转载

寻找自然美景

探秘山水奇观

用脚、相机和键盘记录地球故事

微信ID：xiakedili