沈卫兵、朱祥坤等-Geology：新元古代Marinoan冰期古海洋氧化

还原状态及其真核生物演化意义

　　真核生物的生存与演化离不开氧气。地球从诞生至今，经历过多次大冰期，其中7亿年前后的全球性冰期——斯图特（Sturtian）冰期与马里诺（Marinoan）冰期较为显著，整个地球被冰雪所覆盖，称之为“雪球地球”。根据“雪球地球”假说，全球性发育的冰川，严重阻碍了海洋与大气、陆地之间的物质交换，使得海洋中原本大范围分布的缺氧还原水体进一步扩张，造成真核生物的缺氧灭绝。但是，古生物证据表明，大量真核生物成功穿越了“雪球地球”时期的冰雪世界，并未出现大规模灭绝。虽然“生物避难所”（如局部/短暂存在的富氧开阔水域）被认为是冰期极端海洋环境下真核生物幸存的栖息地，但其规模和延续性受到较大质疑。因此，7亿年前后古海洋是否为“雪球地球”假说认为的持续性缺氧环境？如果不是，维持真核生物生存的氧气来自哪里？这些问题是目前地球早期生物与环境协同演化研究的热点。

　　针对上述科学问题，中国地质科学院地质研究所同位素研究室朱祥坤研究员课题组联合古生物研究室刘鹏举研究员、英国利兹大学Simon W. Poulton教授，以华南新元古代成冰系南沱组（Marinoan冰期沉积）为例，在分析冰期沉积地层沉积特征基础上，应用Fe同位素、S同位素及Fe组分相结合的地球化学方法，对Marinoan冰期古海洋环境进行了系统研究，恢复了冰期古海洋氧化还原状态，探讨了冰期古海洋氧化还原状态对真核生物演化的意义。

　　取得的主要认识有：

　　（1）Marinoan冰期古海洋氧化还原状态具有交替的动态演化特征：贫氧氧化-缺氧铁化-缺氧硫化。初期古海洋继承了成冰纪间冰期相对氧化的水体环境；早期水体逐渐还原，以缺氧铁化占主导；中期古海洋持续缺氧铁化，但发生了明显的水体氧化；晚期至结束，水体逐渐还原，由缺氧铁化向缺氧硫化转变。Marinoan冰期古海洋水体氧化还原状态的长期变化，反映其并非“雪球地球”假说认为的单线条递变缺氧还原化，而是氧化-还原交替的动态演化过程。

　　（2）冰川融氧是控制Marinoan冰期古海洋氧化还原环境动态演化的关键因素。局部/短暂开阔的水体环境是冰期海洋-大气之间气体交换的窗口，为大气氧进入海洋提供通道；古海洋中的生物光合作用及生物生产率，产生一定量的氧气；冰川融化水源源不断，持续向冰封的海洋输送氧气。气水交换、生物活动与冰川融氧三者均是该期古海洋氧化还原环境动态演化的潜在控制因素，但水体氧化-还原交替与冰退-冰进旋回存在明显的同步耦合性：细粒沉积示踪的冰退时期，冰川融化水、冰川融氧输入增大，古海水发生氧化，而粗粒沉积示踪的冰进时期，冰川融化水、冰川融氧输入减少，古海水逐渐还原，表明冰川融氧是冰期古海洋氧化还原状态长期变化的关键。

　　（3）广泛分布、持续存在的冰川融氧是“雪球地球”时期古海洋真核生物生存的必要条件。冰期开始后，会出现冰川发育-消融的动态过程，冰川融水在整个冰期过程中持续、大范围分布，可源源不断为冰封的海洋输送氧气，尤其冰缘线附近冰川融氧输入量较大，是真核生物的绝佳有氧栖息地。依靠持续存在的冰川融氧绿洲，真核生物最终成功穿越冰期极端环境，为紧接着的埃迪卡拉纪大型带刺疑源类、多细胞藻类及类似动物胚胎的出现奠定基础，开启了地球早期演化的新纪元。

“雪球地球”时期古海洋氧化还原环境的动态演化过程

　　该研究恢复了Marinoan冰期古海洋氧化还原状态，探讨了其氧化还原环境动态演化的成因机制，明确了“雪球地球”时期古海洋冰川融氧输入对真核生物生存的重要性，为地球早期生命与环境的协同演化研究提供了重要的科学支撑。本研究受国家重点研发计划项目（2019YFA0708404）、国家自然科学基金项目（41703017）、中国地质调查项目（D1902）资助。该研究成果发表在地学国际知名期刊Geology上：Weibing Shen （沈卫兵）, Xiangkun Zhu（朱祥坤）, Bin Yan（闫斌）, Jin Li（李津）, Pengjun Liu（刘鹏举）, Simon W. Poulton, 2022. Secular variation in seawater redox state during the Marinoan Snowball Earth event and implications for eukaryotic evolution. Geology, 50.

　　原文链接：https://doi.org/10.1130/G50147.1