最早的生物是什么时候出现的？

附:《科学》刊登南国所专家合作论文。

2月24日，《科学》杂志网络版发表了一组中美联合研究团队基于宜昌三峡地区岩石样本测得的同位素年龄和系统碳同位素数据，对寒武纪大爆发前全球冰期、海水化学成分异常变化、多细胞动物起源和演化过程等科学问题提出了新的解释。这些科学家认为，地球历史上最大的一次冰期以非常快的速度在各大洲几乎同时结束，即6.35亿年前，5.8亿年前发生了一次小冰期，随后地球上出现了原始动物。多细胞生物尤其是动物的出现和繁荣，是5.5亿年前全球大规模海水成分异常事件的直接原因。生物的加速繁荣导致大气含氧量急剧增加，为后来的寒武纪生命大爆发埋下了伏笔。

据悉，这个研究小组由中国科学院南京地质古生物研究所和麻省理工学院的专家组成。论文第二作者朱博士指出，探索生命与环境演化的关系，是人类为了知识和生存而面临的最基本的科学问题之一。7.5亿年至5.3亿年前地质时期的环境和生命演化是地球和生命科学家关注的热门科学话题。因为这一时期是地球历史上非常关键的转折点，科学界称之为隐生代和显生宙的过渡时期，意思是地球从没有可见生命的贫瘠状态向环境适宜、生命茂盛的现代蓝色星球过渡的关键阶段。在此期间，复杂的多细胞生物和动物萌发，随后发生了动物多样性的快速增加，这通常被称为“寒武纪大爆发”。在动物出现之前，地球环境极其寒冷，至少发生过三次大冰期。其中一个最大的冰川居然延伸到了赤道地区，这是地球上前所未有的极端气候异常。同时，地质记录表明，在此期间，全球海水化学成分发生了频率高、规模大的异常变化。阶段性大规模冰期与多细胞生物的出现、海水化学条件的异常变化等环境地质事件之间可能存在必然的内在联系，这就是近年来科学界广泛关注的“雪球假说”。但对于冰期的数量和持续时间、动物的起源模式和确切年龄、这一时期海水成分和大气氧的变化等环境地质事件的发生过程，科学界存在较大争议。原因是目前科研成果来自世界各地不同的岩层，已经发现的各种事件在地质时间坐标上的先后顺序已经不清楚。因此，可靠准确的同位素测年是寻找7.5亿年至5.3亿年前地质时期环境与生命演化关系正确答案的最基本科学依据。

地质年龄可以通过测量矿物中放射性同位素的母元素和子元素的含量来计算，因为放射性同位素的衰变半周期是固定的。目前科学界可以根据不同的研究目的和研究对象，采用不同的同位素测年方法。地质时期火山喷发产生的火山灰中含有一种非常稳定的矿物“锆石”(ZrSiO4)，是精确测定地质年代的最佳材料。研究人员通过测量铀同位素238U和铅同位素206Pb的含量(238U衰变到206Pb的半周期为45亿年)，可以计算出锆石形成的年龄，即火山灰的年龄。麻省理工学院的热离子质谱实验室一直是这项年代研究的国际公认实验室。

自然物质循环过程中碳的变化影响着地球环境的变化，因为碳是温室气体二氧化碳的两种成分之一，大气中二氧化碳含量的变化是地球气候变化的关键。研究自然界中碳的循环规律是揭示地球环境因素变化的重要方法。众所周知，碳是生命物质最基本的元素之一，生命活动是影响碳在自然界循环的最重要因素。由于活有机质中“轻碳”(12C同位素)的含量高于“重碳”(13C同位素)，科学家可以通过研究岩石中碳同位素组成比的变化，了解地质时期生命活动与碳循环的关系，从而揭示大气和海洋环境因素的变化过程。

那么，为什么选择华南作为研究区域呢？由于华南有完整的这一地质时期的地质记录和典型的冰川地层，地质学家称之为南沱冰碛砾岩，还有各种富含化石的地层。目前已发现含最早动物化石的瓮安生物群、代表寒武纪大爆发的澄江生物群、富含大型多细胞藻类的何苗生物群、含大型动物遗骸和弱骨骼动物化石的高家山生物群和小贝壳生物群。因此，华南是这一时期世界上进行生命演化和环境变迁的重点地区之一。但无论是华南的冰期地层，还是这些化石群包括最早的动物化石的时代都没有依据，环境变化事件(包括碳同位素变化)与冰期和生物群的时间顺序也不确定。因此确定其地质年代成为区分冰期、生物和环境演化过程的关键。

据朱博士介绍，并不是所有火山灰样品中的锆石都可以用来确定年龄。有些锆石来自较老的地层，它们的年龄不能代表火山喷发的时间。幸运的是，研究团队最终在宜昌三峡地区两条地质剖面上的三个层位的火山灰中发现了大量同生锆石。用于测年的锆石晶体长度一般只有80 ~ 150微米左右。热离子质谱分析结果获得高精度年龄。首先，覆盖南沱冰碛杂岩的碳酸盐岩中部的火山灰年龄为6.352亿年。这个年龄非常接近于在南非纳米比亚北部的冰碛复合体顶部发现的年龄(6.355亿年)。当时华南在低纬，纳米比亚在南北半球，相距甚远。但两个时代的对比表明，华南的南沱冰期在世界各大洲是同时的，证明南沱冰期是地球历史上最大的冰期。6 . 35亿年前，这个巨大的冰河时代在全球范围内同时快速结束。遍布世界各地的南沱冰川杂岩所覆盖的碳酸盐岩(通常称为“帽状碳酸盐岩”)是在大气中CO2浓度急剧增加导致的温室效应环境下，在海洋中快速形成的碳酸盐沉积，是冰期快速结束的直接原因。

其次，岩石同位素的新研究揭示了何苗生物群下发生了一次巨大的负碳同位素事件，何苗生物群上方一层火山灰551亿年的年龄值彻底改变了人们此前对这一阶段生物与环境变化过程的认识。过去认为何苗生物群碳同位素负异常与5 . 8亿年前南沱冰期后的另一个冰期有关。新时代表明，这种碳同位素大负异常是全球性事件，与其他大陆(北美、澳洲、非洲)类似的碳同位素负异常相同，与全球冰期无关，而是55.65438亿年前多细胞生物特别是动物的出现和繁盛所致。随着多细胞生物的兴起和繁荣，储存了大量的有机碳。生物的加速繁荣导致大气含氧量急剧增加，大量储存的有机碳被氧化到大气和海水中，参与新的碳循环。海水中的轻碳(12C同位素)急剧增加，导致5.55亿年左右全球海水发生了一次巨大的负碳同位素事件。同时，生物的繁盛带来了丰富的大气氧气，为随后的寒武纪生命大爆发奠定了基础。

令人惊讶的是，研究结果得出了一个非常重要的科学结论:地球上最早出现动物的时间并不早于5.8亿年。因为在6.35亿年至556.5438+0亿年之间的岩层中发现了含有最早动物化石的“瓮安生物群”，所以“瓮安生物群”下的地层有明显的“喀斯特岩溶”面，代表了一次较大的海平面下降事件，推测是南沱冰期后的又一次冰期所致。这个冰川期是5.8亿年前纽芬兰、加拿大和欧洲有典型地质记录的一个冰川期。这一结论不仅得到了其他方法作出的综合地层时代对比结果，而且还想匹配。如果这个结论是可靠的，那么地球上的动物最早出现是在南沱大冰期后的一个冰期结束后，说明代表华南最早动物化石记录的“瓮安生物群”与当时世界其他地区丰富的“埃迪卡拉生物群”几乎是同时的，改变了“瓮安生物群”早于“埃迪卡拉生物群”的认识。这样，动物起源和早期进化的模式和过程就需要在新的时间坐标上重新认识。

朱博士说，地质年代测定的精度和密度越高，对不同地质环境与生物演化事件关系的认识就越高。这一次，他们公布的年龄只是确认了7.5亿年至5.3亿年前关键地质时期发生的一系列重要环境和生物演化事件的几个年龄。这一时期还有许多重要事件需要用不同的研究方法来揭示，事件发生的年代和时间需要先后确定，比如这一阶段的三次冰期各自的持续时间和间隔时间还没有确定，动物首次出现时间的确定是通过与其他地区的年代对比得出的。同时，新时代将促使地质学家对地球历史上这一关键转折阶段的时间划分提出新的方案，因此相关研究将继续进行。

中国科学院