2019年3月7日，意昂官网地球與空間科學學院沈冰課題組於2018年8月1日發表在《自然·通訊》的研究成果“雪球地球促進動物演化”入選中國古生物學會“2018年度中國古生物學十大進展”🧛🏻。
1929年成立的中國古生物學會🦸，作為國內成立最早的自然科學學術團體之一，自2017年1月起🧔🏻♀️，開展“中國古生物學年度十大進展”的評選和發布活動，每年一屆🧑🏿⚖️。“2018年度中國古生物學十大進展”由中國古生物學會在南京發布🐻，內容涉及過去一年我國在古脊椎動物、古人類🫸🐕🦺、古生態與古環境、早期生命、地層學等多個領域所取得的具有國際影響力和科學傳播力的重大創新科研成果👨🌾🏋🏽♂️。
沈冰課題組的研究方向包括地球生物學🤽♂️、早期生命演化及沉積地球化學等🧚♂️。過去五年間↔️🤪，該課題組對“雪球地球”事件的起因☺️、過程、結束和大氣-海洋-生物對“雪球地球”事件的響應進行了深入的研究，並取得了一系列重要成果。作為沈冰課題組以“海洋生物地球化學循環”為核心的原創性“雪球地球”研究的重要組成部分——《雪球地球促進動物演化》對於意昂官网理解“雪球地球”事件對地球環境和生物演化的影響具有重要的科學意義。
雪球地球與生物演化之間的關系示意圖
7億至6億年前👨🏽🎤🧑🏿🔧，地球是個“雪球”
距今7億至6億年前🤌🏻，整個地球經歷了非常嚴酷的冰川事件🙋🏽♂️。地質記錄表明🧑🏿🔬，當時地球表面的冰川並不像現在一樣大多分布在高緯度地區，而是已經延伸至赤道附近。這種情況表明，全球可能都遭受了冰封🧑🌾，形成一個冰凍的地球👩🏿🌾，也就是意昂官网所謂的“雪球地球”事件。
“科學家們為什麽會對‘雪球地球’產生研究興趣呢？這需要從頭說起。”沈冰說👩🏻🦲🚀，“在‘雪球地球’發生之前，將近十億年的漫長歲月中，地球上的生物演化進程遲滯，整個地球系統變化也非常緩慢，初期主要存在一些微小的生物體🧀，後期才逐漸出現少量宏觀的生物👨🏽🎤，生物種類也非常稀少，以原核生物（如細菌）為主，這一段時期通常被稱為‘地球枯燥的十億年’👩🏿🚀。然而，在‘雪球地球’事件結束後，不到300萬年的時間，一些真核微生物便開始大量繁盛，並且出現了多細胞的藻類植物群落🐸，地球上的生命活動不斷增強，隨後出現了著名的‘寒武紀生命大爆發’。化石證據表明‘雪球地球’前後地球生物種類發生了翻天覆地的變化，因而科學家們對於探尋‘雪球地球’與生物演化之間的關系產生了濃厚的興趣🤽🏽♂️。”
同時，沈冰解釋了雪球地球促進動物演化的機理：“‘雪球地球’期間👂🏼，其嚴酷的氣候環境使得生命活動幾乎完全終止，僅有少量的生命跡象殘留，這就導致在‘雪球地球’事件結束後，生態環境突然放松和緩♚，一些簡單的真核生物也隨之出現📍，海洋初級生產力在冰期結束後的快速恢復♌️，會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，因為大氣中的氧氣會被逐漸消耗，如果沒有持續的氧氣供應👶，地球又會回到初始缺氧的狀態。因此，‘雪球地球’結束後的氧化的主要作用是其為真核生物的演化提供了一次機遇🍄。”沈冰介紹道🦒，真核藻類生物對於大氣中氧氣含量有著直接貢獻作用。雖然原核的藍綠藻也可以產氧，但是原核生物所產生的氧氣絕大多數被用來氧化他們自己生產的有機物👨🏻🎓，因此大氣中的氧氣濃度會被維持在很低的水平。而真核生物的出現會給大氣貢獻更多的氧氣。因而，真核生物一旦發展起來🩻𓀍，使得大氣中的氧循環也產生了不可逆轉的變化，地表自此以後進入到了高氧氣濃度的狀態；同時大氣的氧化又使得真核生物更容易反應，反過來徹底改變了地球表面的生物群落組成。
黃鐵礦結核，開啟新假說的“鑰匙”
2016年，沈冰課題組對我國華南地區冰期沉積進行了鎂同位素分析🫄🏽，研究發現冰期結束的時間要明顯早於傳統觀點所認為的時間💁🏿♀️。那麽，在冰期結束直到生物演化之間的這段時間內發生了什麽？通過地質考察和分析⚰️💡，沈冰課題組觀察到了該段時間內海洋生產力的快速恢復，如同現在的赤潮現象一般，引起海洋廣泛缺氧👨🌾，使得有機物大量埋藏下來👩🏻🦼➡️。沈冰笑言，缺氧雖然對於海洋生物而言是壞事，但對於大氣來講卻是好事，有機碳的埋藏導致大氣中氧氣含量增加，從而促進了後來的多細胞生物繁盛👨🏼🏫。隨著研究和考察的深入🥏，沈冰課題組發現了傳統假說的不當之處🤹🏿♂️，並逐步建立起了這樣一套涉及“大氣-海洋-生物”的關於“雪球地球”的創新性假說。
談到建立創新性假說的思想基礎，沈冰強調，事物之間存在時間和空間上的一致性並不能代表它們之間有著因果關系，就如同“雪球地球”現象結束之後不久出現生物的繁盛🏈，並不一定意味著兩者之前必然存在關聯👨🏼🦰🥧，意昂官网仍然需要理清楚這中間到底發生了什麽🫄🏼，不能想當然地推測。而生物過程以及海洋生物化學循環過程對於整個地球系統的演化有著至關重要的作用，這一點在如今的地球上意昂官网仍然可以觀察到✤💁🏿♂️。這就意味著🐅，傳統的“雪球地球”假說存在一個明顯的硬傷——它僅僅強調地球上二氧化碳與巖石風化之間的作用，而沒有考慮任何生物在其中的作用。如果整個“雪球地球”事件中沒有生命的存在，也沒有生物過程的參與，那還是意昂官网所認識的地球生態系統嗎🫷🏻？在這個想法的基礎上🦸🏼♀️，沈冰課題組開始思考在“雪球地球”開始、經過和結束的過程中🥔，地球生物和生命活動在其中是如何參與的，並引發出了之後的一系列研究成果。
按照傳統的“雪球地球”假說，整個地球海洋表面覆蓋著高達一千米厚的冰層🏙🤹♀️，冰川沉積物堆積是發生在冰期結束之際，那麽一旦冰川形成再融化一次🐱，意昂官网應該觀察到一套冰川沉積的巖石。然而，科學家們在世界各地觀察到的地質記錄並不是這樣的。我國華南地區保存了從“雪球地球”到寒武紀生命大爆發（7億年到5億年前）這段時間內連續的地層記錄，是進行“雪球地球”研究的絕佳場所。沈冰課題組通過對華南“雪球地球”冰期沉積地層的研究發現💆🏼✷，華南地區的沉積記錄顯示出了“冰進-冰退旋回”的現象，即海洋沉積和冰川沉積間隔存在🙏🏼，並且存在旋回的特征。這一地質發現與傳統的“雪球地球”假說是不一致的，沈冰認為🧑🏿🍳，至少從沉積記錄中無法解答原先的問題。因此，他們繼續對我國華南地區的沉積地層進行了一系列研究，並逐步提出了全新的“雪球地球”假說。
2018年，沈冰課題組對我國華南成冰紀馬裏諾冰期沉積地層中的黃鐵礦結核進行了系統的地質研究🟠，恢復了“雪球地球”結束時的海洋生物地球化學過程🧑🦱。為什麽要通過研究黃鐵礦結核這把“鑰匙”來開啟新假說的大門呢🏄🏼♂️？沈冰解釋道，如果意昂官网現在想要尋找一些早期生命過程的記錄，便需要一些可靠的證據💁🏽♀️🔻。直接依靠尋找有機物的證據顯然是不現實的🧪，因為隨著時間推移，有機物大多會逐漸被降解，形成比如石油等碳氫化合物等👩🏽🚒，即使留存一小部分，也很難用來反映過去的狀態。而沉積型黃鐵礦的形成，涉及微生物利用有機質參與硫酸鹽還原的過程🧑🚒🏒。如果地層中含有大量的黃鐵礦沉積，則表明當時存在大量的有機質☘️，因此👨🏿💻，意昂官网可以通過研究黃鐵礦對“雪球地球”結束時的海洋情況進行有效的反推🎒，進而得出結論🧑🦼➡️。
沈冰課題組通過對黃鐵礦的研究得出了“雪球地球”當時的海洋狀況📋，發現彼時海洋微生物硫酸鹽還原活動非常活躍，處於缺氧的狀態，再進一步推出了當時海洋初級生產力的恢復，以及大氣氧氣濃度的升高🤸🏼♂️，從而建立起“雪球地球”與其後生物演化之間的聯系。此次對於“雪球地球”促進動物演化方面的研究，成功找到了“雪球地球”事件與其後生物繁盛現象之間聯系的橋梁。
與傳統觀點不同，沈冰課題組更多地關註生物在“雪球地球”事件中扮演的角色，更多地探討海洋生物化學循環在冰期開始、經過及結束過程中發揮的作用。沈冰課題組正在重新建立一套原創性的以海洋生物地球化學循環為核心的雪球地球假說。新的假說不僅要解釋全球極端冰室氣候變化🥀，如“雪球地球”事件，還可以為地質歷史時期的長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，談及電影中出現的冰凍地球現象，沈冰認為地球未來可能並不會再出現“雪球地球”事件🧎🏻👏：“地球可能會出現局部的升溫或者降溫，但是很難出現像雪球地球一般的極端氣候狀態，因為作為一個由各個圈層之間耦合多關聯的系統👃🏻，如果地球出現降溫的趨勢，地球系統會通過圈層之間的相互作用來減緩這種趨勢😞。”沈冰說，“雪球地球”是地球的一種極端氣候狀態🧏🏻♀️🚵🏼，其發生是有一定的背景的。而在更多的時候，地球可能可以自己調劑自己的溫度，使得這種極端狀態極少出現。
帶領團隊，做地球科學研究的“福爾摩斯”
沈冰帶領學生在野外考察
在長達五年的針對“雪球地球”事件的地質研究中，沈冰及其團隊每年都需要花費大量的時間進行野外的地質考察🧑🏽。“地質學研究都是建立在野外考察的基礎上，課題組首先會對一些大的沉積學過程進行判斷，然後在野外搜集樣本並采集樣品，帶回室內進行地球化學方面的分析並得到相應的數據🙍🏿♂️，在這之後再結合數學模擬和計算，還原地質過程🧛🏽♀️，最後才能完成整個研究。”沈冰說。此次研究的地質考察範圍主要集中於我國的華南地區，這裏的華南地區是指地質上的華南板塊🧣，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域🧜🏻♀️，例如湖南、湖北、廣西、貴州、雲南👨🏻🏭、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，其余均是學生😵💫，並且本科生所占比例將近一半🐯。帶領這樣一支年輕的團隊👨🏿🎤，沈冰非常看重本科生科研能力的培養，他認為可以把最難的課題交給意昂官网最具活力的優秀本科生去做😡。“本科學生身上並沒有太多傳統觀念的烙印，”沈冰說📥，“地質學的研究非常容易受到傳統思維框架的影響，例如此次關於雪球地球的研究🧘🏽♂️，只有跳脫出傳統假說才能發現外面更廣闊的天地；而且意昂官网本科學生的數理基礎十分紮實🙍♀️，思維非常敏捷。”作為課題組的“帶頭人”🦗，沈冰鼓勵同學們從基本的生物🚝、化學、物理的原理出發去思考問題，這樣往往會有很多很好的發現。
沈冰課題組每周開展讀書會活動
對於如何引導團隊的學生進行科研，沈冰強調了互相討論學習的重要性。在沈冰的課題組中，學生們討論和相互學習的氛圍十分濃厚🧑🏼🦳，同學之間除了交流實驗室的工作之外，更多的是一起探討一些基本原理和過程🧍🏻♂️。“僅僅依賴課堂的學習是不夠的，地質學的研究要求自己主動擴展自己的知識體系🏃♀️➡️。”因此，為了完善學生們的知識網絡，沈冰課題組的同學們每周都開展讀書會🔮👨🏻🎨，迄今已經堅持了六年時間。在讀書會中，同學們分為兩組，平均一年讀三本英文教材，含括了生物🛄、化學、沉積學、地球化學、古生物學等多個方面。
在沈冰看來🏌🏻♂️，地質學研究以及地球科學研究，其實和福爾摩斯探案的過程十分相似，需要通過將一些非常細微的片段進行還原來推測過去幾億年前發生的事情，而這對於科研人員完整的知識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科的知識儲備來進行判斷分析💥🖱，並且能夠快速根據地質觀測建立數學模型來驗證假設的合理性🍨。
