研究認為地球上的生命並非如教科書中描述的那樣由氧氣大量催生
不,氧氣並沒有催化地球上最早的多細胞生物迅速綻放。這一結果打破了一個已有70 年曆史的假設,即數億年前海洋動物大爆發的原因是什麼。6.85 億年前到8 億年前,阿瓦隆大爆發–更著名的寒武紀大爆發的前身–標誌著多細胞生物在地球海洋中的出現。在此之前的20 多億年裡,世界一直被單細胞的變形蟲、藻類和細菌所統治。
大爆發後,生物多樣性突然激增,海海綿和其他復雜的多細胞生物取代了較為簡單的單細胞生物。
以前有人推測,進化複雜性的這一重大飛躍是由氧氣含量的增加引發的。然而,哥本哈根大學與伍茲霍爾海洋研究所、南丹麥大學和隆德大學等機構合作開展的最新研究卻推翻了這一觀點。
通過分析來自阿曼山脈的古老岩石樣本的化學成分,研究人員能夠”測量”出這些多細胞生物出現時世界海洋中的氧氣濃度。與預期不同的是,結果顯示地球上的氧氣濃度並沒有增加。事實上,氧氣濃度仍然比現在低5-10 倍,這大約是珠穆朗瑪峰兩倍高度的氧氣含量。
“我們的測量結果很好地描述了當時世界海洋中的平均氧氣濃度。我們可以清楚地看到,當更高級的動物開始進化並主宰地球時,氧氣量並沒有大幅增加。”克里斯蒂安-J.-比耶魯姆(Christian J. Bjerrum)副教授說:”事實上,氧氣略有減少。”
這項新成果結束了長達70 年的研究故事,該故事推進了高濃度氧氣在我們星球上更高級生命發展過程中的中心地位。
研究人員說:”我們現在非常肯定地知道,氧氣並沒有控制地球上生命的發展,這為我們提供了一個全新的故事,讓我們了解生命是如何產生的,以及是什麼因素控制了生命的成功:具體來說,這意味著我們需要重新思考很多我們從小就認為是正確的事情。教科書也需要修訂和重寫。”
研究人員還有很多不了解的地方,同時也存在大量爭議。因此,比耶魯姆希望這項新成果能促使世界各地的其他研究人員從新的角度重新考慮他們之前的成果和數據。
“全世界有很多研究部門,包括美國和中國的研究部門,都在這個課題上做了很多研究,如果在氧氣沒有推動生命發展的基礎上進行解讀,他們之前的研究成果可能會揭示出重要的新細節,”研究員說。
在這項新研究中,研究人員分析了來自阿曼北部阿曼山等地的岩石樣本。雖然這些山脈今天相當高而且非常乾燥,但在阿瓦隆大爆發生物多樣性迅速綻放的時期,這些山脈卻位於海底。
研究人員的發現已在全球三個不同山脈的化石中得到證實:阿曼山脈(阿曼)、麥肯齊山脈(加拿大西北部)和中國南方的長江三峽地區。
隨著時間的推移,陸地上的粘土和沙子被沖入大海,在海底沉積成層。通過深入這些地層並檢查其化學成分,研究人員可以了解特定地質時期的海洋化學情況。
研究人員利用在山脈中發現的鉈和鈾同位素進行分析,從中提取數據,從而計算出數億年前的氧氣含量。
那麼,如果不是額外的氧氣,是什麼引發了這個時代的生命大爆發呢?研究人員解釋說,也許恰恰相反:
“有趣的是,多細胞生物的爆發發生在大氣和海洋氧氣濃度較低的時期。”克里斯蒂安-J-比耶魯姆說:”這表明,生物受益於較低的氧氣水平,能夠在平靜中發展,因為水的化學性質自然地保護了它們的干細胞。”
據該研究員稱,在癌症研究、人類和其他動物的干細胞中也研究過同樣的現象。在這裡,隆德大學的同事們觀察到,在生物體決定細胞應該發育成特定類型的細胞(如肌肉細胞)之前,低氧水平對保持幹細胞處於受控狀態至關重要。
“我們知道,動物和人類必須能夠維持低濃度的氧氣,才能控制干細胞,從而緩慢、可持續地發育。如果氧氣過多,細胞就會發育不良,在最壞的情況下,細胞會瘋狂變異並死亡。”Christian J. Bjerrum總結說:”這種機制在當時的應用遠非不可想像。”