地球生命在大约距今38亿年前就已经出现，但为什么复杂多细胞真核生物直到距今6亿年前后才开始在地球上繁盛，而更加高级复杂的动物直到距今5.4亿年前寒武纪早期才开始快速大辐射（“寒武纪大爆发”）呢？这是自达尔文进化论问世以来一直困扰科学界的重大难题之一，也是近20余年来演化生物学和地球科学共同关注的重要科学前沿领域之一。
早在上个世纪60年代，有学者就提出大气和海洋氧气含量的增加可能是寒武纪大爆发的重要原因之一，因为复杂的多细胞真核生物需要足够的氧气进行生命代谢过程，而动物生存需要大气氧的含量最低估计也要达到现代大气氧含量（PAL）的5%-10%。因而，揭示距今6亿年前后地球大气氧气含量的增加过程和海洋的氧化水平成为当前地球科学界研究的焦点之一。目前学界一般认为，地球历史上有2次明显的大气氧增加过程。有证据表明，早期地球是极端缺氧的，直到约距今25-22亿年前的早元古代早期，地球发生了第一次快速增氧事件（GOE-1）。据估算，这次氧化事件造成地球大气中的氧气从小于现今大气氧含量的10-3-10-5水平达到了1%，导致真核生物在地球上首次出现。但在随后长达十几亿年的中、新元古代时期，大气氧含量并没有增加，甚至还低于早元古代早期，海洋除表层海水以外均处于缺氧状态，并在全球浅海陆架地区广泛存在有毒的硫化海水，从而阻碍了真核生物的演化。直到距今6亿年前后，地球发生第二次大氧化事件（NOE-2），大气中的氧含量从1% PAL增加到60% PAL以上，可能是导致多细胞真核生物在这个时期发生快速演化的关键因素。然而，到目前为止，由于研究方法和材料的限制，关于地球第二次大氧化事件的具体增氧过程和海洋不同深度海水氧化水平的认识缺乏具体的科学论证。为此，这方面的研究成为朱茂炎研究员主持的973项目“从雪球事件到寒武纪大爆发：距今6亿年前后生物与环境演变”的重要研究内容之一。
近期，该973项目通过中英合作在距今6亿年前后海洋氧化与生物协同演化过程研究方面获得系列新进展。研究表明，早中元古代（18亿—10亿年前）全球浅海陆架地区广泛存在的有毒硫化海水在新元古代早期（10亿—8亿年前）已经消失，新元古代中期大冰期（雪球事件，7.2亿—6.3亿年前）之后全球海洋氧化程度快速增加，至寒武纪早期（5.2亿年前）海洋的氧化水平达到现代海洋的水平。这种海洋氧化过程与距今6亿年前后包括动物在内的真核多细胞生物演化过程在时间上高度吻合，为揭示发生在该时期生物快速演化与寒武纪大爆发之谜提供了重要科学依据。同时，他们还提出和论证了该时期生物协同演化新的假说，认为动物及其生物扰动作用的出现是地球—生命系统在前寒武纪—寒武纪过渡时期发生重大转折的关键因素，并标志了现代地球—生命系统的出现。相关成果分别发表在Nature Geoscience和Nature Communication 等杂志上。
该系列研究进展获得了科技部973项目、国家自然基金、中国科学院等资助。
相关论文链接:
附件下载：