【视频】地球化学空中会议室 | 李超教授：海洋氧化与早期动物辐射
图 | 李超
题 目：海洋氧化与早期动物辐射
报告人：李超
单 位：中国地质大学（武汉）
时 间：2020-05-17
地 点：线上
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报告摘要
地球上的动物最早可能出现在~6亿年前的成冰纪，但在随后的埃迪卡拉纪出现了多样化并在寒武纪早期出现了著名的“寒武纪生命大爆发”。由于早期动物生活在海洋里，其新陈代谢需要氧气，因此探索海洋溶解氧含量与早期动物演化的内在联系便成为了海洋化学和早期生命协同演化研究的核心内容。然而，已有的研究却存在激烈的争论：总体而言，协同演化假说认为新元古代的大氧化事件导致了早期动物的快速演化；而非协同演化假说则认为晚新元古代不存在一个大的氧化事件，或者即使存在，其与早期动物的快速演化也无关，因为早期动物具有极低氧的需求；这一假说认为很可能是生态和基因演化导致了早期动物的快速演化。究竟哪个理论正确？或者是否还存在其他可能性？中国地质大学（武汉）的李超教授围绕埃迪卡拉纪-寒武纪早期（635-510Ma）这一地质关键期海洋化学及其与早期动物演化之间的关系，介绍了该领域和其课题组近年来取得的重要研究进展。埃迪卡拉纪-寒武纪早期海洋是什么样的？李超教授首先介绍了目前这一时期海洋化学空间结构模型的最新发展，即从以前的均一化深海氧化还原模型（注：深部海水为均一的氧化、铁化或硫化环境模型；铁化为缺氧且富含游离还原性二价铁离子的海水环境; 硫化为缺氧且富含游离硫化氢的海水环境）逐步向非均一化的深海氧化还原模型（即硫化楔模型：在缺氧铁化为主导的深海环境中在陆架区域发育有楔状硫化水体）的转变。2015年，他们依据氧化剂空间分布控制海洋化学分层的基本原理又进一步提出了一个硫化楔模型的升级版—多层氧化还原分带模型，即从近岸表层水到深部远洋海水依次存在氧化带、硝酸盐还原带、铁锰氧化物还原带、硫化楔、产甲烷带和深部铁化海洋区。尽管李超教授提出的“硫化楔”模型以及随后提出的升级版多层分带模型在提出之初受到了很多的质疑和挑战，但近年来对古海洋化学结构坚持不懈的研究逐渐证实了硫化楔结构和其他氧化还原分带在埃迪卡拉纪-寒武纪早期古海洋中的可能存在。这些古海洋化学结构研究进展表明深部海洋缺氧与陆架高度氧化还原分层可能是埃迪卡拉纪-寒武纪早期古海洋化学的基本特征。埃迪卡拉纪-寒武纪早期深部海洋为何缺氧？李超教授倾向认为埃迪卡拉纪-寒武纪早期极低的大气氧含量是根本原因。极低的大气氧含量使得表层海水氧气向深部海水传输的速率不足以满足海洋表层产生的有机质对深部海水中氧气的消耗速率从而导致深部海洋缺氧。那么为何陆架地区同时又出现广泛的氧化还原分层？李超教授认为这很可能与埃迪卡拉纪-寒武纪早期较低的氧化剂可获取性和陆架地区可能存在的较慢的水体交换速率有关。他们基于这一时期古海洋C-N-S含量与同位素梯度所开展的生物地球化学模型研究表明较低的氧化剂可获取性是陆架地区出现广泛氧化还原分层的前提条件，而陆架地区较慢的水体交换速率可能是其在百万-千万年时间尺度维持存在的原因。李超教授还从理论与实践证据分析了埃迪卡拉纪-寒武纪早期陆架硫化水体发展的控制因素，提出了远洋硫酸盐供给的不足而非当前该研究领域认为的生产力不足是陆架硫化楔在远洋消失的首要控制因素的假说。最后李超教授指出，这些机制的讨论，特别是陆架区较慢的水体交换速率机制的讨论仍旧是开放问题，需要不同学科，特别是物理海洋学研究的加入才能提供更为准确和深入的回答。在埃迪卡拉纪-寒武纪早期海洋化学结构和形成机制探讨的基础上，李超教授进一步总结了国内外同行和其课题组在回答这一地质关键期古海洋如何氧化和其与早期动物辐射之间的关系这一重大科学问题所做努力。结合前人提出的脉冲式古海洋氧化模式，李超教授课题组从古海洋氧化的空间模式入手，提出了低大气氧含量下由古海洋生产力驱动的脉冲式和千年高频陆架表层氧化海水扩张是埃迪卡拉纪古海洋氧化的主要机制，而相对较高大气氧含量下的由大气氧扩散驱动的阶梯式陆架表层氧化海水扩张是寒武纪早期古海洋氧化的主要机制。李超教授还进一步展示了这些脉冲式、高频式和阶梯式表层氧化海水的扩张与埃迪卡拉纪-寒武纪早期早期动物的快速演化与辐射的时空耦合关系，指出古海洋陆架的氧化而非深部海洋的氧化才是在早期动物快速演化的驱动力。最后，李超教授分析提出这种独特古海洋陆架动态氧化与早期动物的时空耦合关系应该是陆地, 大气, 海洋和生物圈之间复杂相互作用的结果。
个人简介
李超，中国地质大学（武汉）教授，生物地质与环境地质国家重点实验室副主任，主要从事海洋生物地球化学和地球生物学研究。近年来，研究工作主要聚焦于早期地球海洋，特别是元古代-寒武纪早期海洋化学空间结构、海洋化学与复杂生命协同演化以及分层海洋环境下一些关键生命元素的生物地球化学循环等方面的研究。
地球化学空中会议室专栏（往期回顾）：
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编辑：王茹茹
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