2019年3月7日，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院沈冰課題組于2018年8月1日發(fā)表在《自然·通訊》的研究成果“雪球地球促進(jìn)動(dòng)物演化”入選中國(guó)古生物學(xué)會(huì)“2018年度中國(guó)古生物學(xué)十大進(jìn)展”。

　　1929年成立的中國(guó)古生物學(xué)會(huì)，作為國(guó)內(nèi)成立最早的自然科學(xué)學(xué)術(shù)團(tuán)體之一，自2017年1月起，開(kāi)展“中國(guó)古生物學(xué)年度十大進(jìn)展”的評(píng)選和發(fā)布活動(dòng)，每年一屆。“2018年度中國(guó)古生物學(xué)十大進(jìn)展”由中國(guó)古生物學(xué)會(huì)在南京發(fā)布，內(nèi)容涉及過(guò)去一年我國(guó)在古脊椎動(dòng)物、古人類、古生態(tài)與古環(huán)境、早期生命、地層學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域所取得的具有國(guó)際影響力和科學(xué)傳播力的重大創(chuàng)新科研成果。

　　沈冰課題組的研究方向包括地球生物學(xué)、早期生命演化及沉積地球化學(xué)等。過(guò)去五年間，該課題組對(duì)“雪球地球”事件的起因、過(guò)程、結(jié)束和大氣-海洋-生物對(duì)“雪球地球”事件的響應(yīng)進(jìn)行了深入的研究，并取得了一系列重要成果。作為沈冰課題組以“海洋生物地球化學(xué)循環(huán)”為核心的原創(chuàng)性“雪球地球”研究的重要組成部分——《雪球地球促進(jìn)動(dòng)物演化》對(duì)于我們理解“雪球地球”事件對(duì)地球環(huán)境和生物演化的影響具有重要的科學(xué)意義。

雪球地球與生物演化之間的關(guān)系示意圖

　　7億至6億年前，地球是個(gè)“雪球”

　　距今7億至6億年前，整個(gè)地球經(jīng)歷了非常嚴(yán)酷的冰川事件。地質(zhì)記錄表明，當(dāng)時(shí)地球表面的冰川并不像現(xiàn)在一樣大多分布在高緯度地區(qū)，而是已經(jīng)延伸至赤道附近。這種情況表明，全球可能都遭受了冰封，形成一個(gè)冰凍的地球，也就是我們所謂的“雪球地球”事件。

　　“科學(xué)家們?yōu)槭裁磿?huì)對(duì)‘雪球地球’產(chǎn)生研究興趣呢？這需要從頭說(shuō)起。”沈冰說(shuō)，“在‘雪球地球’發(fā)生之前，將近十億年的漫長(zhǎng)歲月中，地球上的生物演化進(jìn)程遲滯，整個(gè)地球系統(tǒng)變化也非常緩慢，初期主要存在一些微小的生物體，后期才逐漸出現(xiàn)少量宏觀的生物，生物種類也非常稀少，以原核生物（如細(xì)菌）為主，這一段時(shí)期通常被稱為‘地球枯燥的十億年’。然而，在‘雪球地球’事件結(jié)束后，不到300萬(wàn)年的時(shí)間，一些真核微生物便開(kāi)始大量繁盛，并且出現(xiàn)了多細(xì)胞的藻類植物群落，地球上的生命活動(dòng)不斷增強(qiáng)，隨后出現(xiàn)了著名的‘寒武紀(jì)生命大爆發(fā)’。化石證據(jù)表明‘雪球地球’前后地球生物種類發(fā)生了翻天覆地的變化，因而科學(xué)家們對(duì)于探尋‘雪球地球’與生物演化之間的關(guān)系產(chǎn)生了濃厚的興趣。”

　　同時(shí)，沈冰解釋了雪球地球促進(jìn)動(dòng)物演化的機(jī)理：“‘雪球地球’期間，其嚴(yán)酷的氣候環(huán)境使得生命活動(dòng)幾乎完全終止，僅有少量的生命跡象殘留，這就導(dǎo)致在‘雪球地球’事件結(jié)束后，生態(tài)環(huán)境突然放松和緩，一些簡(jiǎn)單的真核生物也隨之出現(xiàn)，海洋初級(jí)生產(chǎn)力在冰期結(jié)束后的快速恢復(fù)，會(huì)引起大氣氧氣濃度升高。但是，僅僅依靠這一次氧化是不夠的，因?yàn)榇髿庵械难鯕鈺?huì)被逐漸消耗，如果沒(méi)有持續(xù)的氧氣供應(yīng)，地球又會(huì)回到初始缺氧的狀態(tài)。因此，‘雪球地球’結(jié)束后的氧化的主要作用是其為真核生物的演化提供了一次機(jī)遇。”沈冰介紹道，真核藻類生物對(duì)于大氣中氧氣含量有著直接貢獻(xiàn)作用。雖然原核的藍(lán)綠藻也可以產(chǎn)氧，但是原核生物所產(chǎn)生的氧氣絕大多數(shù)被用來(lái)氧化他們自己生產(chǎn)的有機(jī)物，因此大氣中的氧氣濃度會(huì)被維持在很低的水平。而真核生物的出現(xiàn)會(huì)給大氣貢獻(xiàn)更多的氧氣。因而，真核生物一旦發(fā)展起來(lái)，使得大氣中的氧循環(huán)也產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化，地表自此以后進(jìn)入到了高氧氣濃度的狀態(tài)；同時(shí)大氣的氧化又使得真核生物更容易反應(yīng)，反過(guò)來(lái)徹底改變了地球表面的生物群落組成。

　　黃鐵礦結(jié)核，開(kāi)啟新假說(shuō)的“鑰匙”

　　2016年，沈冰課題組對(duì)我國(guó)華南地區(qū)冰期沉積進(jìn)行了鎂同位素分析，研究發(fā)現(xiàn)冰期結(jié)束的時(shí)間要明顯早于傳統(tǒng)觀點(diǎn)所認(rèn)為的時(shí)間。那么，在冰期結(jié)束直到生物演化之間的這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生了什么？通過(guò)地質(zhì)考察和分析，沈冰課題組觀察到了該段時(shí)間內(nèi)海洋生產(chǎn)力的快速恢復(fù)，如同現(xiàn)在的赤潮現(xiàn)象一般，引起海洋廣泛缺氧，使得有機(jī)物大量埋藏下來(lái)。沈冰笑言，缺氧雖然對(duì)于海洋生物而言是壞事，但對(duì)于大氣來(lái)講卻是好事，有機(jī)碳的埋藏導(dǎo)致大氣中氧氣含量增加，從而促進(jìn)了后來(lái)的多細(xì)胞生物繁盛。隨著研究和考察的深入，沈冰課題組發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)假說(shuō)的不當(dāng)之處，并逐步建立起了這樣一套涉及“大氣-海洋-生物”的關(guān)于“雪球地球”的創(chuàng)新性假說(shuō)。

　　談到建立創(chuàng)新性假說(shuō)的思想基礎(chǔ)，沈冰強(qiáng)調(diào)，事物之間存在時(shí)間和空間上的一致性并不能代表它們之間有著因果關(guān)系，就如同“雪球地球”現(xiàn)象結(jié)束之后不久出現(xiàn)生物的繁盛，并不一定意味著兩者之前必然存在關(guān)聯(lián)，我們?nèi)匀恍枰砬宄@中間到底發(fā)生了什么，不能想當(dāng)然地推測(cè)。而生物過(guò)程以及海洋生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程對(duì)于整個(gè)地球系統(tǒng)的演化有著至關(guān)重要的作用，這一點(diǎn)在如今的地球上我們?nèi)匀豢梢杂^察到。這就意味著，傳統(tǒng)的“雪球地球”假說(shuō)存在一個(gè)明顯的硬傷——它僅僅強(qiáng)調(diào)地球上二氧化碳與巖石風(fēng)化之間的作用，而沒(méi)有考慮任何生物在其中的作用。如果整個(gè)“雪球地球”事件中沒(méi)有生命的存在，也沒(méi)有生物過(guò)程的參與，那還是我們所認(rèn)識(shí)的地球生態(tài)系統(tǒng)嗎？在這個(gè)想法的基礎(chǔ)上，沈冰課題組開(kāi)始思考在“雪球地球”開(kāi)始、經(jīng)過(guò)和結(jié)束的過(guò)程中，地球生物和生命活動(dòng)在其中是如何參與的，并引發(fā)出了之后的一系列研究成果。

　　按照傳統(tǒng)的“雪球地球”假說(shuō)，整個(gè)地球海洋表面覆蓋著高達(dá)一千米厚的冰層，冰川沉積物堆積是發(fā)生在冰期結(jié)束之際，那么一旦冰川形成再融化一次，我們應(yīng)該觀察到一套冰川沉積的巖石。然而，科學(xué)家們?cè)谑澜绺鞯赜^察到的地質(zhì)記錄并不是這樣的。我國(guó)華南地區(qū)保存了從“雪球地球”到寒武紀(jì)生命大爆發(fā)（7億年到5億年前）這段時(shí)間內(nèi)連續(xù)的地層記錄，是進(jìn)行“雪球地球”研究的絕佳場(chǎng)所。沈冰課題組通過(guò)對(duì)華南“雪球地球”冰期沉積地層的研究發(fā)現(xiàn)，華南地區(qū)的沉積記錄顯示出了“冰進(jìn)-冰退旋回”的現(xiàn)象，即海洋沉積和冰川沉積間隔存在，并且存在旋回的特征。這一地質(zhì)發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的“雪球地球”假說(shuō)是不一致的，沈冰認(rèn)為，至少?gòu)某练e記錄中無(wú)法解答原先的問(wèn)題。因此，他們繼續(xù)對(duì)我國(guó)華南地區(qū)的沉積地層進(jìn)行了一系列研究，并逐步提出了全新的“雪球地球”假說(shuō)。

　　2018年，沈冰課題組對(duì)我國(guó)華南成冰紀(jì)馬里諾冰期沉積地層中的黃鐵礦結(jié)核進(jìn)行了系統(tǒng)的地質(zhì)研究，恢復(fù)了“雪球地球”結(jié)束時(shí)的海洋生物地球化學(xué)過(guò)程。為什么要通過(guò)研究黃鐵礦結(jié)核這把“鑰匙”來(lái)開(kāi)啟新假說(shuō)的大門呢？沈冰解釋道，如果我們現(xiàn)在想要尋找一些早期生命過(guò)程的記錄，便需要一些可靠的證據(jù)。直接依靠尋找有機(jī)物的證據(jù)顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)殡S著時(shí)間推移，有機(jī)物大多會(huì)逐漸被降解，形成比如石油等碳?xì)浠衔锏龋词沽舸嬉恍〔糠郑埠茈y用來(lái)反映過(guò)去的狀態(tài)。而沉積型黃鐵礦的形成，涉及微生物利用有機(jī)質(zhì)參與硫酸鹽還原的過(guò)程。如果地層中含有大量的黃鐵礦沉積，則表明當(dāng)時(shí)存在大量的有機(jī)質(zhì)，因此，我們可以通過(guò)研究黃鐵礦對(duì)“雪球地球”結(jié)束時(shí)的海洋情況進(jìn)行有效的反推，進(jìn)而得出結(jié)論。

　　沈冰課題組通過(guò)對(duì)黃鐵礦的研究得出了“雪球地球”當(dāng)時(shí)的海洋狀況，發(fā)現(xiàn)彼時(shí)海洋微生物硫酸鹽還原活動(dòng)非常活躍，處于缺氧的狀態(tài)，再進(jìn)一步推出了當(dāng)時(shí)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的恢復(fù)，以及大氣氧氣濃度的升高，從而建立起“雪球地球”與其后生物演化之間的聯(lián)系。此次對(duì)于“雪球地球”促進(jìn)動(dòng)物演化方面的研究，成功找到了“雪球地球”事件與其后生物繁盛現(xiàn)象之間聯(lián)系的橋梁。

　　與傳統(tǒng)觀點(diǎn)不同，沈冰課題組更多地關(guān)注生物在“雪球地球”事件中扮演的角色，更多地探討海洋生物化學(xué)循環(huán)在冰期開(kāi)始、經(jīng)過(guò)及結(jié)束過(guò)程中發(fā)揮的作用。沈冰課題組正在重新建立一套原創(chuàng)性的以海洋生物地球化學(xué)循環(huán)為核心的雪球地球假說(shuō)。新的假說(shuō)不僅要解釋全球極端冰室氣候變化，如“雪球地球”事件，還可以為地質(zhì)歷史時(shí)期的長(zhǎng)周期的氣候變化提供參考。

　　最近上映的《流浪地球》與“雪球地球”描述的事件有些類似，談及電影中出現(xiàn)的冰凍地球現(xiàn)象，沈冰認(rèn)為地球未來(lái)可能并不會(huì)再出現(xiàn)“雪球地球”事件：“地球可能會(huì)出現(xiàn)局部的升溫或者降溫，但是很難出現(xiàn)像雪球地球一般的極端氣候狀態(tài)，因?yàn)樽鳛橐粋€(gè)由各個(gè)圈層之間耦合多關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，如果地球出現(xiàn)降溫的趨勢(shì)，地球系統(tǒng)會(huì)通過(guò)圈層之間的相互作用來(lái)減緩這種趨勢(shì)。”沈冰說(shuō)，“雪球地球”是地球的一種極端氣候狀態(tài)，其發(fā)生是有一定的背景的。而在更多的時(shí)候，地球可能可以自己調(diào)劑自己的溫度，使得這種極端狀態(tài)極少出現(xiàn)。

　　帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，做地球科學(xué)研究的“福爾摩斯”

沈冰帶領(lǐng)學(xué)生在野外考察

　　在長(zhǎng)達(dá)五年的針對(duì)“雪球地球”事件的地質(zhì)研究中，沈冰及其團(tuán)隊(duì)每年都需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行野外的地質(zhì)考察。“地質(zhì)學(xué)研究都是建立在野外考察的基礎(chǔ)上，課題組首先會(huì)對(duì)一些大的沉積學(xué)過(guò)程進(jìn)行判斷，然后在野外搜集樣本并采集樣品，帶回室內(nèi)進(jìn)行地球化學(xué)方面的分析并得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在這之后再結(jié)合數(shù)學(xué)模擬和計(jì)算，還原地質(zhì)過(guò)程，最后才能完成整個(gè)研究。”沈冰說(shuō)。此次研究的地質(zhì)考察范圍主要集中于我國(guó)的華南地區(qū)，這里的華南地區(qū)是指地質(zhì)上的華南板塊，在6億年前涵蓋了除廣東和福建以外秦嶺淮河以南的絕大部分區(qū)域，例如湖南、湖北、廣西、貴州、云南、四川、陜西、浙江、安徽等省份。

　　沈冰課題組成員有30多人，除了沈冰自己和另外一位教師，其余均是學(xué)生，并且本科生所占比例將近一半。帶領(lǐng)這樣一支年輕的團(tuán)隊(duì)，沈冰非常看重本科生科研能力的培養(yǎng)，他認(rèn)為可以把最難的課題交給北京大學(xué)最具活力的優(yōu)秀本科生去做。“本科學(xué)生身上并沒(méi)有太多傳統(tǒng)觀念的烙印，”沈冰說(shuō)，“地質(zhì)學(xué)的研究非常容易受到傳統(tǒng)思維框架的影響，例如此次關(guān)于雪球地球的研究，只有跳脫出傳統(tǒng)假說(shuō)才能發(fā)現(xiàn)外面更廣闊的天地；而且北京大學(xué)本科學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)十分扎實(shí)，思維非常敏捷。”作為課題組的“帶頭人”，沈冰鼓勵(lì)同學(xué)們從基本的生物、化學(xué)、物理的原理出發(fā)去思考問(wèn)題，這樣往往會(huì)有很多很好的發(fā)現(xiàn)。

沈冰課題組每周開(kāi)展讀書會(huì)活動(dòng)

　　對(duì)于如何引導(dǎo)團(tuán)隊(duì)的學(xué)生進(jìn)行科研，沈冰強(qiáng)調(diào)了互相討論學(xué)習(xí)的重要性。在沈冰的課題組中，學(xué)生們討論和相互學(xué)習(xí)的氛圍十分濃厚，同學(xué)之間除了交流實(shí)驗(yàn)室的工作之外，更多的是一起探討一些基本原理和過(guò)程。“僅僅依賴課堂的學(xué)習(xí)是不夠的，地質(zhì)學(xué)的研究要求自己主動(dòng)擴(kuò)展自己的知識(shí)體系。”因此，為了完善學(xué)生們的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，沈冰課題組的同學(xué)們每周都開(kāi)展讀書會(huì)，迄今已經(jīng)堅(jiān)持了六年時(shí)間。在讀書會(huì)中，同學(xué)們分為兩組，平均一年讀三本英文教材，含括了生物、化學(xué)、沉積學(xué)、地球化學(xué)、古生物學(xué)等多個(gè)方面。

　　在沈冰看來(lái)，地質(zhì)學(xué)研究以及地球科學(xué)研究，其實(shí)和福爾摩斯探案的過(guò)程十分相似，需要通過(guò)將一些非常細(xì)微的片段進(jìn)行還原來(lái)推測(cè)過(guò)去幾億年前發(fā)生的事情，而這對(duì)于科研人員完整的知識(shí)體系以及定量分析能力均有很高的要求，他們需要擁有各類學(xué)科的知識(shí)儲(chǔ)備來(lái)進(jìn)行判斷分析，并且能夠快速根據(jù)地質(zhì)觀測(cè)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)驗(yàn)證假設(shè)的合理性。