寒武纪生命为何“井喷”？科学家找到了宇宙“指挥棒”

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（来源：中国科普博览）

在距今约5.4亿年前的寒武纪早期，地球上演了一场壮丽的生命交响乐。几乎所有现生动物门类在地质历史的瞬间同时登场，这场被称为“寒武纪大爆发”的演化奇迹，至今仍是地球生命史上最令人着迷的谜团之一。最近，中国科学院南京地质古生物研究所研究团队联合英国利兹大学、河海大学、南京大学等机构的科研人员，通过跨学科研究揭示了一个惊人的发现：这场生命大爆发可能有着来自太空的“节拍器”——地球轨道的长周期变化。

如果我们能够穿越时空，回到寒武纪的海洋，会看到一幅奇特的景象：生命的繁荣并非一蹴而就，而是像潮汐般起起落落。古生物学家们在西伯利亚地台的岩层中发现，从约5.24亿年到5.14亿年前，海洋动物的多样性呈现出明显的周期性变化，大约每200万年至300万年就会出现一次繁荣高峰。

更加引人注目的是，这种生物多样性的脉冲式变化并非孤立现象。研究团队发现，每当生物多样性达到高峰时，海水中的碳同位素和硫同位素也会同步出现显著的偏移。这种同步性绝非巧合——碳同位素的变化反映着有机碳埋藏的强度，而硫同位素则记录着黄铁矿形成的速率，两者共同指示着一个关键的环境因子：氧气含量的变化。

当有机碳和黄铁矿大量埋藏在海底沉积物中时，原本会消耗氧气的物质被封存起来，导致大气和海洋中的氧气含量上升。这就像是地球系统的一个天然“氧气泵”，而寒武纪早期这个泵似乎在有规律地工作着。每一次“泵送”都为海洋生物创造了更好的生存条件，推动着动物演化的步伐。

地质沉积物的性质经常是循环变化的，这种变化在沉积层记录中清晰可见。从图中可以看出，不同颜色和层理强度的变化反映了这种周期性的沉积过程。

（图片来源：维基百科）

是什么力量在控制着这个“氧气泵”的节奏？研究团队将目光投向了太空。地球围绕太阳运行的轨道并非一成不变，它会在数百万年的时间尺度上发生周期性变化。这些变化虽然细微，却能显著影响地球表面接收太阳辐射的分布，进而改变全球气候格局。

通过对西伯利亚和全球多个地点的碳、硫同位素记录进行频谱分析，研究团队发现了一个惊人的巧合：这些地球化学记录中存在着120万年、260万年和450万年的周期性变化，这与地球轨道参数的长周期变化高度吻合。这种吻合绝非偶然——它暗示着一个深刻的地球系统反馈机制。

轨道变化如何影响生命演化？答案在于一个巧妙的连锁反应。当地球轨道参数发生变化时，不同纬度地区接收的太阳辐射会出现差异，这种差异在高纬度地区尤为明显。寒武纪时期，大陆主要分布在高纬度地区，这些地区的气候变化直接影响着岩石的风化作用。当气候变暖、降雨增加时，大陆岩石的风化作用增强，更多的营养物质——特别是磷——被河流携带进入海洋。

磷是海洋生产力的关键限制因子。当大量磷涌入海洋时，浮游植物迅速繁殖，通过光合作用产生大量氧气。同时，繁茂的海洋生物死亡后沉入海底，形成富含有机碳的沉积物。这个过程不仅增加了海水中的氧气含量，还通过埋藏有机碳进一步提升了大气氧含量，为动物的繁荣创造了有利条件。

寒武纪时期的大陆分布图

（图片来源：维基百科）

为了验证这个假说，研究团队采用了一种创新的研究方法：在计算机中重建寒武纪的地球系统。他们使用了名为SCION的深时地球系统箱式模型，这个模型能够综合考虑气候、风化、海洋化学和生物地球化学循环等多个因素的相互作用。

研究人员首先在模型中加入了轨道驱动的气候变化因子。他们发现，仅仅0.97°C每平方米瓦特的温度变化，就足以在模型中产生与地质记录相似的碳、硫同位素周期性变化。当轨道驱动的温度变化导致高纬度地区变暖时，风化作用增强，更多的磷进入海洋；反之，当温度降低时，营养物质输入减少，海洋生产力下降。

模型结果令人振奋：在轨道驱动下，海洋磷库存、有机碳和黄铁矿埋藏率都呈现出与地质记录相似的周期性变化。更重要的是，模型预测的大气氧含量变化与生物多样性的变化趋势高度一致——氧气含量的峰值往往对应着生物多样性的高峰，包括古杯动物在约5.24亿年前的首次出现和三叶虫在约5.21亿年前的辐射演化。

研究团队的另一个重要发现是，寒武纪海洋的特殊化学条件可能是这种轨道驱动机制能够发挥作用的关键。当时的海洋硫酸盐浓度极低，不及现代海洋的三分之一。这种低硫酸盐环境就像一个敏感的放大器，将轨道驱动的营养物质输入信号放大成巨大的环境变化。

通过模型敏感性实验，研究人员发现了一个有趣的现象：当海洋硫酸盐浓度较低时（如0.72-2.9毫摩尔），碳、硫同位素会呈现出明显的同步正向偏移，变化幅度可达千分之二到千分之五；而当硫酸盐浓度升高到6.1毫摩尔时，这种同步变化几乎完全消失。这解释了为什么在地质历史的其他时期，尤其是硫酸盐浓度较高的显生宙中后期，很少观察到类似的碳硫同位素耦合现象。

低硫酸盐环境之所以能够放大轨道信号，是因为在这种条件下，即使是较小的硫酸盐输入变化也会显著影响黄铁矿的形成速率。黄铁矿的形成需要硫酸盐和有机质在缺氧环境中反应，当硫酸盐供应有限时，其浓度的轻微变化就会成为控制黄铁矿埋藏的关键因素。这种敏感性使得轨道驱动的风化脉冲能够在地球化学记录中留下清晰的印记。

这项研究不仅对寒武纪大爆发的节奏之谜给出了令人信服的解释，还为理解地球系统的长期演化提供了新的视角。它告诉我们，生命演化并非孤立的生物学过程，而是深深嵌入在地球-太阳系统的宏大框架之中。天文因素通过复杂的地球系统反馈，可以对生命演化产生深远影响。

有趣的是，类似的轨道驱动机制可能在地质历史的其他关键时期也发挥了作用。例如，早侏罗世也是一个低硫酸盐时期，其碳同位素记录同样显示出约250万年的周期性变化。这表明，当地球系统处于某些特定状态时，天文强迫可以成为驱动环境和生命演化的重要因素。

对于现代地球系统研究，这项工作也具有重要启示。它提醒我们，地球系统的敏感性并非恒定不变，而是取决于系统的背景状态。在某些条件下，看似微小的外部扰动可能引发巨大的系统响应。理解这种非线性反馈对于预测未来气候变化和生态系统演化具有重要意义。

澄江动物群（代表性的寒武纪生物大爆发遗迹）中涌现的部分代表性化石

（图片来源：维基百科）

站在21世纪的今天回望寒武纪，我们看到的不再是一个混沌的远古世界，而是一个精密运转的地球系统。在这个系统中，来自太阳系的轨道韵律通过大陆风化、海洋化学和生物地球化学循环的复杂网络，最终转化为生命演化的节拍。中国科学院南京地质古生物研究所的这项研究，通过将古生物学、地球化学和数值模拟相结合，为我们描绘了一幅壮丽的图景：寒武纪大爆发不是一场无序的生命狂欢，而是在宇宙韵律指挥下的有序演化。

这个发现提醒我们，地球生命的故事从来都不是孤立的篇章。从遥远的恒星到微小的细胞，从缓慢的轨道变化到快速的生物演化，宇宙的各个层面通过复杂而优美的方式相互联系。正是这种联系，造就了我们这个充满生机的蓝色星球，也为我们理解生命的起源、演化和未来提供了全新的视角。在浩瀚的宇宙中，地球生命随着天体的节拍起舞，书写着属于自己的华彩乐章。

参考文献：

【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：科普中国

作者：夏至（大阪大学）