我院同位素前沿科学研究中心的郑旺教授及陈玖斌教授与国外合作者于2023年7月03日在《自然·通讯》（Nature Communications）发表论文“Recurrent photic zone euxinia limited ocean oxygenation and animal evolution during the Ediacaran” 。该研究利用汞同位素重建了埃迪卡拉纪的海洋氧化还原状态，指出大陆边缘海反复发育的透光带硫化现象限制了真核生物的生存空间，并且抑制了海洋增氧过程。这很可能是埃迪卡拉纪海洋含氧量和多细胞后生动物演化的一个被低估的抑制因素。
埃迪卡拉纪（6.35-5.39亿年前）是宏体多细胞真核生物的大辐射时期。海洋含氧量的增加一直被认为是埃迪卡拉生物出现的驱动因素，然而该时期海洋氧化还原状态变化的过程和原因一直存在争议。以往的研究认为埃迪卡拉纪海洋发生了多次短暂的增氧事件 (Sahoo et al., 2012, 2016)，但最近的一些研究对埃迪卡拉纪海洋增氧假说提出了疑问 (Ostrander, 2023) （图1）：海洋增氧事件呈短暂脉冲式出现的原因是什么？为什么埃迪卡拉生物群（宏体多细胞真核生物）的大量出现滞后于首次增氧事件？
图1. 埃迪卡拉纪海洋增氧事件（OOE）和埃迪卡拉生物群。来自Ostrander, 2023。
针对这些问题，郑旺教授等利用汞同位素这一新兴古环境指标，对华南陡山沱组黑色页岩所记录的埃迪卡拉纪海洋氧化还原状态进行了进一步的研究。此前，汞同位素已被成功用于重建中元古代、晚泥盆纪和二叠纪末生物大灭绝时期的海洋氧化还原状态 (Zheng et al., 2018, 2023; Sun et al., 2023)。华南陡山沱组保存了瓮安、翁会生物群等著名的埃迪卡拉生物群。该研究发现，三次增氧事件期间都出现了汞同位素非质量分馏（MIF）负漂移和同步的质量分馏（MDF）正漂移（图2）。结合汞同位素分馏模型，该研究指出汞同位素的这种变化是由于汞在浅层硫化水体中的光化学还原反应和来自大气的零价汞在浅层硫化水体中的氧化反应造成的，代表海洋透光带出现了反复的H2S富集现象。这种现象被称为“透光带硫化”（PZE）。PZE现象在显生宙的生物大灭绝事件中频频出现，H2S对透光带真核生物的毒害作用通常被认为是导致生物大灭绝的直接原因之一。因此PZE在埃迪卡拉纪海洋中的反复出现很可能也是抑制宏体多细胞真核生物演化的原因。
图2. 华南陡山沱组五河剖面的汞浓度、汞同位素以及其它地球化学指标。汞同位素的三次漂移（E1、E2和E3）指示反复的PZE。
该研究进一步指出PZE通过促进不产氧光合作用对海洋增氧形成了负反馈效应，从而抑制了海洋含氧量的持续增加（图3）。在产氧光合作用出现之前，不产氧光合细菌（如绿硫细菌、紫硫细菌）能够利用H2S、Fe(II)和H2等作为电子供体进行不产氧光合作用。在现代环境中，这些不产氧光合细菌仍然在有光的厌氧环境中广泛生存，与产氧光合生物竞争光照与营养，并且能够比产氧光合生物更好地适应水体深处的弱光环境以及更充分地利用深处的营养物质。透光带富集H2S时，一方面H2S对产氧光合生物产生毒害，抑制了产氧光合作用；另一方面扩展了不产氧光合细菌的生存空间，促进了不产氧光合作用。产氧和不产氧光合作用的此消彼长导致海洋增氧难以长期持续。这一机制被认为是在海洋普遍处于富Fe(II)或富硫状态的前寒武时期，导致大气含氧量长期处于较低水平的重要原因之一。
图3. 埃迪卡拉纪海洋透光带硫化及其对海洋增氧和早期动物演化的影响。
郑旺教授为论文第一作者，陈玖斌教授和美国Equinor公司Swapan K. Sahoo博士为共同通讯作者。地科院2022届硕士毕业生周岸文（现在美国佛罗里达州立大学读博）为论文第二作者。弗吉尼亚理工大学的肖书海教授和Morrison R. Nolan、伍兹霍尔海洋研究所和犹他大学的Chadlin M. Ostrander教授、亚利桑那州立大学的Ariel D. Anbar教授和天大地科院孙若愚教授参与了研究。该研究得到了国家自然科学基金（41973009，41830647）、科技部重点研发计划（2022YFF0800300）和美国国家科学基金（EAR 1760203, EAR 2021207）的联合资助。
论文信息：Zheng W. (郑旺), Zhou A. (周岸文), Sahoo S. K.*, Nolan M. R., Ostrander C. M., Sun R. (孙若愚), Anbar A. D., Xiao S. (肖书海) and Chen J. (陈玖斌)* (2023) Recurrent photic zone euxinia limited ocean oxygenation and animal evolution during the Ediacaran. Nat Commun 14, 3920.
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39427-z
参考文献：
Ostrander C. M. (2023) Mulling and nulling the coeval rise of Ediacaran oxygen and animals. Earth Planet. Sci. Lett. 614, 118187.
Sahoo S. K., Planavsky N. J., Jiang G., Kendall B., Owens J. D., Wang X., Shi X., Anbar A. D. and Lyons T. W. (2016) Oceanic oxygenation events in the anoxic Ediacaran ocean. Geobiology 14, 457–468.
Sahoo S. K., Planavsky N. J., Kendall B., Wang X., Shi X., Scott C., Anbar A. D., Lyons T. W. and Jiang G. (2012) Ocean oxygenation in the wake of the Marinoan glaciation. Nature 489, 546–549.
Sun R., Liu Y., Sonke J. E., Feifei Z., Zhao Y., Zhang Y., Chen J., Liu C.-Q., Shen S., Anbar A. D. and Zheng W. (2023) Mercury isotope evidence for marine photic zone euxinia across the end-Permian mass extinction. Commun. Earth Environ. 4, 1–11.
Zheng W., Gilleaudeau G. J., Algeo T. J., Zhao Y., Song Y., Zhang Y., Sahoo S. K., Anbar A. D., Carmichael S. K., Xie S., Liu C.-Q. and Chen J. (2023) Mercury isotope evidence for recurrent photic-zone euxinia triggered by enhanced terrestrial nutrient inputs during the Late Devonian mass extinction. Earth Planet. Sci. Lett. 613, 118175.
Zheng W., Gilleaudeau G. J., Kah L. C. and Anbar A. D. (2018) Mercury isotope signatures record photic zone euxinia in the Mesoproterozoic ocean. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 115, 10594–10599.
