揭开雪球地球与动物演化的奥秘——记地球与空间科学学院沈冰课题组

来源：慧天地

2019年3月7日，北京大学地球与空间科学学院沈冰课题组于2018年8月1日发表在《自然·通讯》的研究成果“雪球地球促进动物演化”入选中国古生物学会“2018年度中国古生物学十大进展”。

1929年成立的中国古生物学会，作为国内成立最早的自然科学学术团体之一，自2017年1月起，开展“中国古生物学年度十大进展”的评选和发布活动，每年一届。“2018年度中国古生物学十大进展”由中国古生物学会在南京发布，内容涉及过去一年我国在古脊椎动物、古人类、古生态与古环境、早期生命、地层学等多个领域所取得的具有国际影响力和科学传播力的重大创新科研成果。

沈冰课题组的研究方向包括地球生物学、早期生命演化及沉积地球化学等。过去五年间，该课题组对“雪球地球”事件的起因、过程、结束和大气-海洋-生物对“雪球地球”事件的响应进行了深入的研究，并取得了一系列重要成果。作为沈冰课题组以“海洋生物地球化学循环”为核心的原创性“雪球地球”研究的重要组成部分——《雪球地球促进动物演化》对于我们理解“雪球地球”事件对地球环境和生物演化的影响具有重要的科学意义。

雪球地球与生物演化之间的关系示意图

7亿至6亿年前，地球是个“雪球”

距今7亿至6亿年前，整个地球经历了非常严酷的冰川事件。地质记录表明，当时地球表面的冰川并不像现在一样大多分布在高纬度地区，而是已经延伸至赤道附近。这种情况表明，全球可能都遭受了冰封，形成一个冰冻的地球，也就是我们所谓的“雪球地球”事件。

“科学家们为什么会对‘雪球地球’产生研究兴趣呢？这需要从头说起。”沈冰说，“在‘雪球地球’发生之前，将近十亿年的漫长岁月中，地球上的生物演化进程迟滞，整个地球系统变化也非常缓慢，初期主要存在一些微小的生物体，后期才逐渐出现少量宏观的生物，生物种类也非常稀少，以原核生物（如细菌）为主，这一段时期通常被称为‘地球枯燥的十亿年’。然而，在‘雪球地球’事件结束后，不到300万年的时间，一些真核微生物便开始大量繁盛，并且出现了多细胞的藻类植物群落，地球上的生命活动不断增强，随后出现了著名的‘寒武纪生命大爆发’。化石证据表明‘雪球地球’前后地球生物种类发生了翻天覆地的变化，因而科学家们对于探寻‘雪球地球’与生物演化之间的关系产生了浓厚的兴趣。”

同时，沈冰解释了雪球地球促进动物演化的机理：“‘雪球地球’期间，其严酷的气候环境使得生命活动几乎完全终止，仅有少量的生命迹象残留，这就导致在‘雪球地球’事件结束后，生态环境突然放松和缓，一些简单的真核生物也随之出现，海洋初级生产力在冰期结束后的快速恢复，会引起大气氧气浓度升高。但是，仅仅依靠这一次氧化是不够的，因为大气中的氧气会被逐渐消耗，如果没有持续的氧气供应，地球又会回到初始缺氧的状态。因此，‘雪球地球’结束后的氧化的主要作用是其为真核生物的演化提供了一次机遇。”沈冰介绍道，真核藻类生物对于大气中氧气含量有着直接贡献作用。虽然原核的蓝绿藻也可以产氧，但是原核生物所产生的氧气绝大多数被用来氧化他们自己生产的有机物，因此大气中的氧气浓度会被维持在很低的水平。而真核生物的出现会给大气贡献更多的氧气。因而，真核生物一旦发展起来，使得大气中的氧循环也产生了不可逆转的变化，地表自此以后进入到了高氧气浓度的状态；同时大气的氧化又使得真核生物更容易反应，反过来彻底改变了地球表面的生物群落组成。

黄铁矿结核，开启新假说的“钥匙”

2016年，沈冰课题组对我国华南地区冰期沉积进行了镁同位素分析，研究发现冰期结束的时间要明显早于传统观点所认为的时间。那么，在冰期结束直到生物演化之间的这段时间内发生了什么？通过地质考察和分析，沈冰课题组观察到了该段时间内海洋生产力的快速恢复，如同现在的赤潮现象一般，引起海洋广泛缺氧，使得有机物大量埋藏下来。沈冰笑言，缺氧虽然对于海洋生物而言是坏事，但对于大气来讲却是好事，有机碳的埋藏导致大气中氧气含量增加，从而促进了后来的多细胞生物繁盛。随着研究和考察的深入，沈冰课题组发现了传统假说的不当之处，并逐步建立起了这样一套涉及“大气-海洋-生物”的关于“雪球地球”的创新性假说。

谈到建立创新性假说的思想基础，沈冰强调，事物之间存在时间和空间上的一致性并不能代表它们之间有着因果关系，就如同“雪球地球”现象结束之后不久出现生物的繁盛，并不一定意味着两者之前必然存在关联，我们仍然需要理清楚这中间到底发生了什么，不能想当然地推测。而生物过程以及海洋生物化学循环过程对于整个地球系统的演化有着至关重要的作用，这一点在如今的地球上我们仍然可以观察到。这就意味着，传统的“雪球地球”假说存在一个明显的硬伤——它仅仅强调地球上二氧化碳与岩石风化之间的作用，而没有考虑任何生物在其中的作用。如果整个“雪球地球”事件中没有生命的存在，也没有生物过程的参与，那还是我们所认识的地球生态系统吗？在这个想法的基础上，沈冰课题组开始思考在“雪球地球”开始、经过和结束的过程中，地球生物和生命活动在其中是如何参与的，并引发出了之后的一系列研究成果。

按照传统的“雪球地球”假说，整个地球海洋表面覆盖着高达一千米厚的冰层，冰川沉积物堆积是发生在冰期结束之际，那么一旦冰川形成再融化一次，我们应该观察到一套冰川沉积的岩石。然而，科学家们在世界各地观察到的地质记录并不是这样的。我国华南地区保存了从“雪球地球”到寒武纪生命大爆发（7亿年到5亿年前）这段时间内连续的地层记录，是进行“雪球地球”研究的绝佳场所。沈冰课题组通过对华南“雪球地球”冰期沉积地层的研究发现，华南地区的沉积记录显示出了“冰进-冰退旋回”的现象，即海洋沉积和冰川沉积间隔存在，并且存在旋回的特征。这一地质发现与传统的“雪球地球”假说是不一致的，沈冰认为，至少从沉积记录中无法解答原先的问题。因此，他们继续对我国华南地区的沉积地层进行了一系列研究，并逐步提出了全新的“雪球地球”假说。

2018年，沈冰课题组对我国华南成冰纪马里诺冰期沉积地层中的黄铁矿结核进行了系统的地质研究，恢复了“雪球地球”结束时的海洋生物地球化学过程。为什么要通过研究黄铁矿结核这把“钥匙”来开启新假说的大门呢？沈冰解释道，如果我们现在想要寻找一些早期生命过程的记录，便需要一些可靠的证据。直接依靠寻找有机物的证据显然是不现实的，因为随着时间推移，有机物大多会逐渐被降解，形成比如石油等碳氢化合物等，即使留存一小部分，也很难用来反映过去的状态。而沉积型黄铁矿的形成，涉及微生物利用有机质参与硫酸盐还原的过程。如果地层中含有大量的黄铁矿沉积，则表明当时存在大量的有机质，因此，我们可以通过研究黄铁矿对“雪球地球”结束时的海洋情况进行有效的反推，进而得出结论。

沈冰课题组通过对黄铁矿的研究得出了“雪球地球”当时的海洋状况，发现彼时海洋微生物硫酸盐还原活动非常活跃，处于缺氧的状态，再进一步推出了当时海洋初级生产力的恢复，以及大气氧气浓度的升高，从而建立起“雪球地球”与其后生物演化之间的联系。此次对于“雪球地球”促进动物演化方面的研究，成功找到了“雪球地球”事件与其后生物繁盛现象之间联系的桥梁。

与传统观点不同，沈冰课题组更多地关注生物在“雪球地球”事件中扮演的角色，更多地探讨海洋生物化学循环在冰期开始、经过及结束过程中发挥的作用。沈冰课题组正在重新建立一套原创性的以海洋生物地球化学循环为核心的雪球地球假说。新的假说不仅要解释全球极端冰室气候变化，如“雪球地球”事件，还可以为地质历史时期的长周期的气候变化提供参考。

最近上映的《流浪地球》与“雪球地球”描述的事件有些类似，谈及电影中出现的冰冻地球现象，沈冰认为地球未来可能并不会再出现“雪球地球”事件：“地球可能会出现局部的升温或者降温，但是很难出现像雪球地球一般的极端气候状态，因为作为一个由各个圈层之间耦合多关联的系统，如果地球出现降温的趋势，地球系统会通过圈层之间的相互作用来减缓这种趋势。”沈冰说，“雪球地球”是地球的一种极端气候状态，其发生是有一定的背景的。而在更多的时候，地球可能可以自己调剂自己的温度，使得这种极端状态极少出现。

带领团队，做地球科学研究的“福尔摩斯”

沈冰带领学生在野外考察

在长达五年的针对“雪球地球”事件的地质研究中，沈冰及其团队每年都需要花费大量的时间进行野外的地质考察。“地质学研究都是建立在野外考察的基础上，课题组首先会对一些大的沉积学过程进行判断，然后在野外搜集样本并采集样品，带回室内进行地球化学方面的分析并得到相应的数据，在这之后再结合数学模拟和计算，还原地质过程，最后才能完成整个研究。”沈冰说。此次研究的地质考察范围主要集中于我国的华南地区，这里的华南地区是指地质上的华南板块，在6亿年前涵盖了除广东和福建以外秦岭淮河以南的绝大部分区域，例如湖南、湖北、广西、贵州、云南、四川、陕西、浙江、安徽等省份。

沈冰课题组成员有30多人，除了沈冰自己和另外一位教师，其余均是学生，并且本科生所占比例将近一半。带领这样一支年轻的团队，沈冰非常看重本科生科研能力的培养，他认为可以把最难的课题交给北京大学最具活力的优秀本科生去做。“本科学生身上并没有太多传统观念的烙印，”沈冰说，“地质学的研究非常容易受到传统思维框架的影响，例如此次关于雪球地球的研究，只有跳脱出传统假说才能发现外面更广阔的天地；而且北京大学本科学生的数理基础十分扎实，思维非常敏捷。”作为课题组的“带头人”，沈冰鼓励同学们从基本的生物、化学、物理的原理出发去思考问题，这样往往会有很多很好的发现。

沈冰课题组每周开展读书会活动

对于如何引导团队的学生进行科研，沈冰强调了互相讨论学习的重要性。在沈冰的课题组中，学生们讨论和相互学习的氛围十分浓厚，同学之间除了交流实验室的工作之外，更多的是一起探讨一些基本原理和过程。“仅仅依赖课堂的学习是不够的，地质学的研究要求自己主动扩展自己的知识体系。”因此，为了完善学生们的知识网络，沈冰课题组的同学们每周都开展读书会，迄今已经坚持了六年时间。在读书会中，同学们分为两组，平均一年读三本英文教材，含括了生物、化学、沉积学、地球化学、古生物学等多个方面。

在沈冰看来，地质学研究以及地球科学研究，其实和福尔摩斯探案的过程十分相似，需要通过将一些非常细微的片段进行还原来推测过去几亿年前发生的事情，而这对于科研人员完整的知识体系以及定量分析能力均有很高的要求，他们需要拥有各类学科的知识储备来进行判断分析，并且能够快速根据地质观测建立数学模型来验证假设的合理性。