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华北中元古代早期高于庄组中的圆盘状微生物膜化石圆盘状碳质化石是前寒武纪最常见的化石类型之一，最早可至古元古代晚期，然而它们的生物学属性一直存在争议。近期，中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎领导的“地球-生命系统早期演化”团队对华北燕山地区15.6亿年前高于庄组中的一类圆盘状化石进行了综合研究，结果表明这些化石是具有规则形态的微生物膜，而非此前所认为的多细胞真核生物。相关成果近期发表在国际学术期刊《地质学会杂志》（Journal of the Geological Society）上。与具有规则重复性形态的带状化石和具分枝和固着器分化的碳质化石不同，由于形态简单且缺少关键特征，前寒武纪圆盘状化石的生物学属性和成因长期存在争议。根据内部结构或有机质成分等特征，它们常被认为是多细胞真核生物或多核体真核生物（如Churaia）、原核生物（如Beltanelliformis），以及非生物成因的沉积构造。燕山地区的高于庄组不仅含有脉冲增氧事件的地质记录，还有已知最早的宏体多细胞真核生物化石和丰富的微体化石，是研究地球早期生命演化的重要窗口。在此前的研究中，高于庄组中的圆盘状化石被鉴定为圆形的Parachuaria和椭圆形的Parashouhsienia两属，而且被认为是与新元古代的圆盘化石Chuaria类似的多细胞真核生物。但考虑到两者时代相差近6亿年，而且缺乏多细胞证据，因此该解释存在很大不确定性。本研究对高于庄组三段地层中采集到的466个圆盘状化石进行了形态测量统计、显微观察和矿物成分分析。它们表现出一个连续的数毫米至数厘米，以及从圆形至椭圆形的形态范围；纵切面均为透镜状；内部表现为明暗交替的近似平行的纹层状结构，但并未发现细胞结构。纹层由白云石、粘土矿物、有机质、以及少量石英和云母等矿物组成。矿物在纵向上规律性分布，细小片状矿物（如粘土矿物）在水平方向上定向排列。这些特征均表明高于庄组的圆盘状化石不仅具有相同的成因，而且很可能是某种特殊的微生物膜（microbial biofilm）构造，是与微生物席和叠层石类似的微生物群落而非多细胞生物个体。微生物膜是现代微生物学中的一个术语，是指由一种或多种微生物及其胞外基质组成的集合体，有些微生物膜可以形成圆形、树枝状、线状、花瓣状等形态规则的肉眼可见的宏观结构。在一些环境中，细胞外基质中也可能存在矿物、粘土、淤泥等物质。微生物膜在地球历史早期可能分布很广，可以为微生物提供更适宜生存的微环境，有助于其在极端环境中存活。高于庄组的圆盘状化石表明，具有规则形态的宏观微生物膜也有潜力被保存为古生物化石。因此，对于前寒武纪一些简单且具有规则形态的宏体化石来说，并不能仅仅根据大小来判断是否为多细胞生物，还要综合其他方面的证据。本研究得到了科技部国家重点研发计划项目和国家自然科学基金的共同资助。论文相关信息：Chen, K., Miao, L., Zhao, F., & Zhu, M. (2024). Discoidal carbonaceous compressions from the early Mesoproterozoic Gaoyuzhuang Formation: a fossil example of microbial biofilm. Journal of the Geological Society, 181(4), jgs2024-005. https://doi.org/10.1144/jgs2024-005.高于庄组中的圆盘状碳质化石圆盘状碳质化石的纵切面圆盘状碳质化石的元素分布2024-07-22 -
硅藻AI/Si比值示踪未次冰期表层海洋Si浓度取得进展大气CO2浓度在冰期-间冰期旋回的周期性变化是晚第四纪最显著的环境特征之一，冰期较低的大气CO2浓度被认为与深海碳储库的增加有关，是研究海洋吸收和储存CO2的天然对照组。南大洋是海洋和大气进行碳交换的主要区域，其物理环流和生物地球化学过程可能控制了冰期-间冰期深海碳储库的变化。风力驱动的上涌过程将富含碳和营养物质（硅和氮等）的深层水带到南大洋表层，其中一部分碳被表层生物固定从而再次进入深海，另一部分碳则通过海气交换进入大气。冰期南大洋上涌强度减弱和表层营养利用率提高，可能是导致深海碳储库增加的首要原因。除此之外，有学者提出南大洋上涌流带来的营养物质（特别是硅）可能会被传输到中、低纬区域，从而提高这些区域的生物生产力和进一步的碳固定，造成冰期大气CO2浓度的降低，这被称为“硅酸泄露假说”。验证“硅酸泄露假说”的关键是重建冰期南大洋表层海水的硅酸浓度。前人利用蛋白石通量、生物成因Ba通量、Ba/Fe比值等指示南大洋生物生产力的变化，尚无能够直接重建表层海水硅酸浓度的指标。近年来，研究人员利用硅藻硅同位素（δ30Si）来反映硅酸利用率，从而间接指示表层海水硅酸浓度的变化。但硅藻硅同位素受样品保存、成岩作用以及硅藻种属等影响较大，同时硅酸利用率并不能和硅酸浓度直接挂钩，还受到上涌流强度等过程的影响。中国科学院南京地质古生物研究所副研究员李涛与南京大学教授陈天宇等学者合作，利用南大洋ODP1094钻孔样品，通过测定硅藻壳体Al/Si比值和沉积物232Th通量，限定了6万年以来南大洋南极区的表层海水硅酸浓度。研究发现末次冰期南大洋南极区表层海水硅酸浓度明显低于全新世，可能与末次冰期上涌流减弱和铁施肥增强的共同作用有关。相关研究成果近期发表在国际知名专业学术刊物《第四纪科学评论》（Quaternary Science Reviews）。研究团队首先利用EDS-SEM、NMR和ICP-MS等测量手段，排除了成岩作用、孔隙水交代以及硅藻种属变化等因素的干扰，确认了硅壳的Al直接来自于硅藻在表层海水生物合成阶段吸收的Al，为利用ODP1094钻孔的硅壳Al/Si比值重建南极区表层海水Al/Si比值提供了理论基础。已有研究表明开阔大洋粉尘通量与表层海水溶解Al浓度具有较好的正相关关系，研究团队据此利用230Th校正后的232Th通量来反演南极区粉尘通量的变化，进而限定南极区表层海水溶解Al浓度的变化。最后将南大洋南极区表层海水Al/Si比值记录和溶解Al浓度记录相结合，获得了6万年以来南大洋南极区表层海水硅酸浓度记录。重建结果表明末次冰期南大洋南极区表层硅酸浓度显著低于全新世。结合硅藻壳体硅同位素重建结果（指示了硅酸利用率），本研究认为末次冰期南大洋南极区较低的硅酸浓度和较低硅酸利用率是上涌流减弱和铁肥增强共同作用的结果。因此，本研究结果不支持“硅酸泄露假说”，推进了我们对南大洋物理环流和生物地球化学过程的认识。论文的第一作者为南京大学杨昕瑜博士研究生。本研究得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金以及古生物学与地层学国家重点实验室的支持。论文相关信息： Xinyu Yang, Tao Li*, Tianyu Chen*, Jianfan Zheng, Wei Li, 2024. Incorporation of Al into diatom frustule as a proxy of seawater Al/Si ratios in the Antarctic Zone of the Southern ocean: Implications for surface silicic acid concentrations during the last glacial period. Quaternary Science Reviews 334. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2024.108724.南大洋OPD1094钻孔位置图ODP1094钻孔硅藻核磁共振27Al化学位移图南大洋南极区重建的表层硅酸浓度相对变化与其他古海洋记录对比图2024-07-19 -
埃迪卡拉纪瓮安生物群带刺疑源类研究新进展埃迪卡拉纪带刺疑源类化石具有多样性高、分布广泛的特点，不仅是生物地层划分对比的重要工具，更是为研究早期真核生物演化提供了重要化石材料。其中一些具有多细胞发育过程的大型带刺疑源类曾被解释为动物休眠胚胎。我国贵州的埃迪卡拉纪瓮安生物群也保存了丰富的带刺疑源类化石，自上世纪八十年代末以来，前人的研究工作描述了大量大型带刺疑源类（直径在200微米以上），为理解瓮安生物群的化石组合面貌和地层划分对比提供了重要证据。然而，瓮安地区的埃迪卡拉纪中小型带刺疑源类化石（直径在100微米以下为小型疑源类，直接在100~200微米之间为中型带刺疑源类）由于埋藏偏差或者不易被发现等原因，使得已报道的多样性和丰度都远低于同期的大型带刺疑源类。中国科学院南京地质古生物研究所硕士生吴俊贤在研究员殷宗军的指导下，观察了500多张瓮安黑色磷块岩薄片，发现了大量中小型带刺疑源类化石标本。这些新发现的疑源类化石有助于理解瓮安生物群带刺疑源类组合面貌，同时也增加了瓮安地区埃迪卡拉系陡山沱组与三峡地区陡山沱组以及其他地区（如澳大利亚埃迪卡拉系Pertatataka组）生物地层对比的可能。相关成果日前发表在美国古生物学会旗舰期刊《古生物学杂志》（Journal of Paleontology）上。经鉴定，研究新发现的小型疑源类化石共4属6种：Tanarium conoideum Kolosova, 1991, emend. Moczydłowska et al., 1993、Tanarium elegans Liu et al., 2014、Mengeosphaera membranifera Shang, Liu, and Moczydłowska, 2019、Mengeosphaera minima Liu et al., 2014、Estrella recta Liu and Moczydłowska, 2019、 Variomargosphaeridium gracile Xiao et al., 2014，中型带刺疑源类两类：Tanarium tuberosum Moczydłowska, Vidal, and Rudavskaya, 1993, emend. Moczydłowska, 2015、Weissiella cf. W. grandistella Vorob’eva, Sergeev, and Knoll, 2009, emend. Liu and Moczydłowska, 2019。其中小型带刺疑源类的3属4种（Tanarium elegans、Mengeosphaera membranifera、M. minima、Estrella recta）和中型带刺疑源类Tanarium tuberosum在瓮安地区属首次发现。南古生物所特别研究助理孙玮辰、研究员朱茂炎，中国地质科学院地质研究所研究员刘鹏举、副研究员尚晓冬等参与了本次研究。该研究获得了国家自然科学基金委优秀青年基金、创新群体项目和重点基金的资助。论文信息：Junxian Wu,Weichen Sun,Xiaodong Shang,Pengju Liu,Maoyan Zhu,Zongjun Yin*. New materials of acanthomorphic acritarchs from the Ediacaran Weng’an Biota (South China). Journal of Paleontology,page 1 of 23,https://doi.org/10.1017/jpa.2024.16.瓮安生物群中的部分小型带刺疑源类Tanarium conoideum瓮安生物群中的部分小型带刺疑源类Mengeosphaera minima瓮安生物群中的部分小型带刺疑源类Mengeosphaera membranifera瓮安生物群中的部分小型带刺疑源类Estrella recta2024-07-19 -
生命周期重建揭示瓮安生物群疑难化石旋胞类的亲缘关系近日，中国科学院南京地质古生物研究所地球-生命系统早期演化团队研究员殷宗军领衔的国际合作小组厘定了埃迪卡拉纪瓮安生物群中旋胞类疑难胚胎状化石的亲缘关系，认为它们隶属动物总界，但不是后生动物的胚胎，而是具有多细胞发育阶段且与后生动物亲缘关系较近的单细胞生物。该成果近期在英国皇家学会旗舰期刊《皇家学会会刊B辑》（Proceedings of the Royal Society B）上在线发表。我国贵州瓮安生物群是埃迪卡拉纪磷酸盐化特异埋藏化石库，距今约5.8-5.9亿年。它独特的埋藏模式使其在细胞和亚细胞层级上三维立体保存了大量胚胎状化石（因形似后生动物胚胎而得名）。瓮安生物群的年龄恰好处在分子钟预测的后生动物门类分异的关键时期，为理解寒武纪大爆发前夜复杂生命的演化，尤其是为探索后生动物的起源提供了非常重要窗口。因此，其一直是古生物学界的研究热点。然而，瓮安胚胎状化石的亲缘关系自上世纪末被解释为后生动物的胚胎后，长期充满争议。前人基于不同的化石材料提出过多种假说，包括动物胚胎说、巨大氧化硫细菌说、绿藻（团藻）说、干群动物说、动物总界说等等。之所以争议不断，主要原因是瓮安胚胎状化石形态结构简单，与显生宙常见的成年期动物化石相比，其亲缘关系的诊断性判据较少，因此难以确定这些胚胎状化石究竟代表了同一种生物的不同发育阶段，还是完全不同的化石类群。在过去的二十年来，随着显微CT和同步辐射显微断层成像等三维无损成像技术的引入，研究人员无需破坏化石标本就可以全方位分析胚胎状化石的埋藏学、形态学和细胞学特征，获得了更多生物学信息，使得建立更为完善的胚胎状化石发育过程甚至生命周期成为可能。在新技术的帮助下，瓮安胚胎状化石亲缘关系的研究取得了长足进步。目前瓮安胚胎状化石作为动物总界（=冠群后生动物+干群后生动物+动物单细胞近亲）成员的生物学属性已被广为接受，仅有的争议是，它们到底是干群后生动物还是具有多细胞发育阶段的动物单细胞近亲。为解决这一难题，南京古生物所地球-生命系统早期演化团队研究员殷宗军和朱茂炎，联合中国地质科学院地质研究所研究员刘鹏举团队、英国布里斯托大学教授Philip Donoghue团队、瑞典自然历史博物馆教授Stefan Bengtson团队，联用多模态、跨尺度成像与原位谱学分析技术，系统研究了瓮安生物群中的胚胎状化石。研究发现，瓮安生物群胚胎状化石并不是同一类群的不同发育阶段，而是包含了不同类群的不同发育阶段，说明瓮安生物群中胚胎状化石是多源的，其多样性一度被低估。这些胚胎状化石记录了多种不同的发育方式，其中脊笼球类胚胎状化石的发育过程展示了复杂的细胞迁移和重组，非常类似动物胚胎原肠胚期发育过程中出现的细胞行为，比现生的动物单细胞近亲的发育过程更为复杂，意味着动物胚胎状的发育方式有更为古老的起源。尽管取得了一些阶段性进展，瓮安胚胎状化石仍然还有诸多未解之谜等待解密，而疑难胚胎状化石旋胞类的亲缘关系就是其中之一。旋胞类化石的细胞外表面发育了独特的螺旋状沟槽或突起的脊。自1995年发现以来，先后被解释成绿藻、刺胞动物胚胎或栉水母胚胎。这些亲缘关系的解释往往都将旋胞类和另一类胚胎状化石——旋孔虫类联系在一起，认为它们代表了同一种生物的不同发育阶段。2020年，殷宗军领衔的国际合作团队系统研究了旋孔虫类的发育过程，发现旋孔虫类和旋胞类有平行的早期发育阶段，两者代表了两个独立的类群，而非同种生物的不同发育阶段，因此前人将两者关联在一起而提出的各种发育模式和亲缘关系假说需要重新审视。那么旋胞类究竟是如何发育的呢？它在动物总界中究竟是处于什么位置呢？为了回答这一难题，研究团队观察了数百枚旋胞类的标本，并采用同步辐射显微断层成像和显微CT扫描了其中176枚标本。基于三维数据，研究人员分析了旋胞类化石的埋藏学和生物学特征，发现旋胞类的标本主要是在早期分裂阶段，极少有超过64细胞期，且细胞表面的螺旋结构有利于细胞之间相互分离。研究人员通过对比旋胞类和其他瓮安胚胎状化石的异同，初步重构了其发育过程，认为它比脊笼球类的发育过程简单，更类似现存的动物单细胞近亲鱼孢子虫。因此旋胞类更可能代表了有多细胞发育阶段的单细胞生物，是后生动物的近亲，位于动物总界树的根部位置。论文的第一作者为南京古生物所特别研究助理孙玮辰，论文通讯作者是殷宗军和Philip Donoghue。本研究受到了国家自然科学基金委优秀青年基金和国家重点研发计划项目的资助。论文相关信息：Sun W, Yin Z*, Liu P, Zhu M, Donoghue P*. 2024 Developmental biology of Spiralicellula and the Ediacaran origin of crown metazoans. Proceedings of the Royal Society B 291: 20240101. https://doi.org/10.1098/rspb.2024.0101.不用发育阶段的旋胞类胚胎状化石瓮安生物群中的旋胞类疑难化石旋胞类的发育过程和系统学位置2024-07-18 -
长江下游地区末次冰期—间冰期转折期植被及其气候响应目前，全球气候变暖已成为国际社会广泛关注的重大议题，深入理解过去气候变化历史才能为预测未来气候变化并制定相应的对策提供科学依据。探讨冰期气候转向暖期气候的具体过程和模式，对认识现今全球增温背景下气候转型及生态系统响应具有积极的学术意义。长江下游沿江地区地处我国东部中纬度地带自然环境演变最强烈和最敏感地区的南部，是研究植被迁移、气候变化及季风进退的关键地带。然而，研究区沉积环境受海陆更迭与“海水－河流－洪水”沉积的频繁扰动，往往造成沉积环境动荡不定，孢粉来源变得异常复杂，受此背景“噪音”干扰，使得该地区真实的地带性植被面貌以及气候波动变得模糊不清。近日，中国科学院南京地质古生物研究所博士生韩箫屿在导师舒军武、李保华指导下，与安徽师范大学教授吴立合作，选择巢湖地区不可多得的优质高分辨钻孔开展花粉研究。研究结果揭示了长江下游从距今最近一次冰期转向间冰期时（13900—9100年前）地带性植被格局、气候转型的重要信息，为破解这一关键时期的气候-植被之间的相互作用，以及东亚夏季风启动的驱动机制提供了新视角。相关成果近期在国际知名专业学术刊物《古植物与孢粉学论评》（Review of Palaeobotany and Palynology）上发表。研究团队通过多次野外探勘，精选位于巢湖市同大镇南灵村LZK1502钻孔连续稳定的湖相地层，结合14C测年详细数据，重点对花粉记录进行了深入解译。这份跨越距今13900至9100年的花粉档案，记录了长江下游植被-气候的明显联动关系。研究结果发现，地球经历了末次冰盛期后（距今约2万年），冰盖消解，逐步进入末次冰消期（距今13900至11900年，深13.08-10.24 m）。孢粉记录显示该时期研究区温干类型的草原成分如蒿属（Artemisia）、禾本科（Poaceae）与落叶栎（Quercus deciduous）木本共同占优势为特征，总体呈现了温带森林草原景观；与现今东北大兴安岭—松辽平原一带植被类型相似，而与现今巢湖地区北亚热带常绿落叶阔叶混交林反差较大。推测当时气候较今干凉，冬季漫长，虽然夏季风逐步转强，但冬季风依然强盛。末次冰消期植被快速响应（森林草原—开阔林地—森林草原），反映了气候急剧波动，期间主要经历了3个百年尺度的气候事件，分别为：老仙女木冷期（13.9-13.5 ka）、阿勒罗德暖期（13.5-12.9 ka）和新仙女木冷期（12.9-11.9 ka）事件。本次研究首次发现的罕见绣球类（Hydrangea type）灌木植物对植被和气候转型十分敏感，推测是冰消期植被复苏的重要标志类型。自早全新世（距今11900至9100年）进入间冰期，气候迅速转暖，植被显著转型，表现为木本植物开始快速扩张；植被类似当今华北地区的温带落叶阔叶栎林，指示当时东亚夏季风明显转强，湿度增加，标志着相对温湿的早全新世季风气候的正式启动。期间植被较为单一，气候较为稳定。此外，团队还结合钻孔地化指标，对比了末次冰消期的东亚夏季风变化与高纬度冰芯气候记录，以及低纬度热带西太平洋海表温度记录，推断东亚夏季风在末次冰消期的千年及百年尺度变化可能受到热带太平洋海表温度和高纬度冰盖的共同调控。巢湖钻孔生动展示了末次冰消期植被快速转型，气候频繁波动的特征。进入全新世后，随着太阳辐射量增加，夏季风转强，植被和气候进入较为稳定的状态。从已发表的资料看，巢湖钻孔是目前长江中下游地区孢粉记录分辨率最高、细节揭示最详细的研究材料。本项研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、安徽省“十四五”重点项目及中国留学基金委项目联合资助。论文相关信息：Xiaoyu Han, Junwu Shu *, Li Wu *, Baohua Li *, Shuguang Lu, Wei Chen, Jinglian Ge, 2024. Transformation of regional vegetation driven by climate change during the last deglacial–early Holocene at Chaohu Lake, eastern China: new pollen insights[J]. Review of Palaeobotany and Palynology, 326,105115. https://doi.org/10.1016/j.revpalbo.2024.105115.巢湖流域地貌(A)、LZK1502钻孔位置(A、B)及岩芯(C)示意图巢湖LZK1502钻孔优势花粉类型百分比及植被、气候图巢湖钻孔末次冰消期地层中绣球属类型花粉油镜（非柳属）、扫描电镜及现生植物照片巢湖钻孔孢粉、地化指标与冰芯、石笋其他指标综合对比图2024-07-16 -
寒武纪Wiwaxia的时空分布及形态多样性研究进展威瓦西亚虫（Wiwaxia）是一类寒武纪大爆发时期出现的造型非常奇特的代表性生物，其身体覆盖着紧密排列的叠瓦状骨片，与环节动物和软体动物具有亲缘关系，生活于寒武纪第二世至苗岭世（约5.2-4.9亿年前）。尽管威瓦西亚虫化石记录丰富且地理分布广泛，其时空分布模式仍缺乏详细研究。此外，由于威瓦西亚虫常以离散骨片保存，完整标本稀缺，目前仅在华南、劳伦和西伯利亚板块的个别寒武纪特异埋藏化石群中有完整标本发现，限制了对其生物学、生态学及系统发育的研究。近日，中国科学院南京地质古生物研究所地球-生命系统早期演化团队副研究员孙海静和研究员赵方臣等人，报道了云南寒武系第四阶陡坡寺组一处特异埋藏化石层位，并对其中威瓦西亚虫新材料，包括1件完整标本和13枚离散骨片开展了研究。该研究成果发表在国际地学综合性期刊《全球和行星变化》（Global and Planetary Change）上。研究基于这些骨片独特的长宽比和二级纵肋结构，建立了一新种陡坡寺威瓦西亚虫（Wiwaxia douposiensis）。通过对新材料和全球已发表数据的研究，科研人员对威瓦西亚虫的时空分布演变及形态多样性进行了深入讨论。此次研究发现威瓦西亚虫在寒武纪第三期之前缺乏化石记录，表明其身体构型可能在寒武纪大爆发高峰期首次出现。该时期，华南深水区及其他板块均未发现威瓦西亚虫。尽管埋藏和采样偏差因素不能完全排除，但基于现有证据，团队提出了一个暂时的时空演变模式：威瓦西亚虫起源于寒武纪第三期华南浅水环境，随后迅速扩散到其他板块，适应了深水环境及干燥寒冷的气候，并在寒武纪第四期达到扩散高峰，至鼓山期分布范围收缩，古丈期之后消失。研究还采用定量分析方法，结果显示威瓦西亚虫的骨片兼具表型保守性和可塑性，不同种表现出一致的长宽比及与体长比的正相关性，同时不同种又具有特征性的骨片长宽比。此外，谱系分析表明骨片的纵肋模式、长宽比、表面装饰及行数是分支分类及多样性研究的有效信息。在威瓦西亚虫的演化历程中其骨片经历了由单级向双级纵肋、无饰向有饰的演变。但是目前基于威瓦西亚虫不完善信息的分析精度仍有限。期待日后有更多、更好研究材料的发现，进而能够提高其分类学、多样性及演化发育研究的准确性。本研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金项目的资助。论文相关信息：Haijing Sun, Fangchen Zhao*, Ruolin Wu, Han Zeng, Zhixin Sun, 2024. Spatiotemporal distribution and morphological diversity of the Cambrian Wiwaxia: New insights from South China. Global and Planetary Change, 239, 104507. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2024.104507.云南寒武系陡坡寺组中完整保存的Wiwaxiadouposiensis及骨片结构细节威瓦西亚虫的古地理分布威瓦西亚虫的地层分布2024-07-16 -
寒武纪SPICE事件中古海水氧含量的下降驱动了三叶虫动物群的重大演替近日，中国科学院南京地质古生物研究所地球-生命系统早期演化团队研究员朱茂炎、陈波，南京大学地球科学与工程学院副教授杨爱华，以及山东省地质科学院、河海大学、中国科学院海洋研究所、南非开普敦大学等国内外同行合作对华北地台寒武纪SPICE（Steptoean Positive Carbon Isotope Excursion）事件与动物的演化相关性进行了深入研究，发现寒武纪晚期SPICE事件期间海水的缺氧是驱动三叶虫动物面貌发生重要演替的原因。该成果于近期在线发表在著名国际地学期刊《地质学》（Geology）上。SPICE事件发生在寒武纪中晚期之交（距今约4.95亿年前），以全球海水碳酸盐碳同位素值（δ13Ccarb）正漂移为主要特征（幅度~6‰ VPDB，持续时间约3个百万年），并伴随着硫同位素的同步正漂移，是显生宙历史上最显著的一次碳-硫循环耦合波动事件。已有研究认为，SPICE事件的开始伴随着以三叶虫为代表的生物灭绝事件；SPICE事件结束后，随着有机碳和黄铁矿大规模埋藏，促进了大气中氧气含量的快速增加，可能为海洋生物在奥陶纪发生大辐射创造了条件。因此，SPICE事件被认为是寒武纪大爆发至奥陶纪生物大辐射之间最为关键的地质事件之一，备受学界关注。然而，SPICE事件期间海水缺氧和生物灭绝之间的直接因果联系一直缺乏定量化石多样性证据的支持，尤其缺乏来自同一沉积盆地内高分辨率化石多样性数据和区域性氧化还原方面的证据。因此，精细刻画SPICE事件在不同区域发生过程，对揭示其与同期三叶虫动物灭绝事件之间因果关系及其全球普遍性规律有重要意义。我国华北地台寒武纪地层出露良好，生物地层学，特别是三叶虫生物地层学研究程度高，是开展这一研究的理想地区。本次研究选取了华北地台浅水相山东九龙山剖面和相对深水相辽宁西山剖面，开展了系统的碳酸盐碳同位素和铈元素地球化学（铈是一种氧化还原敏感稀土元素，是重建盆地尺度的海洋氧化还原条件的重要指标，以Ce/Ce*表示）研究，并在此基础上重新厘定了整个华北地台从古丈阶到排碧阶界线附近三叶虫化石多样性数据。结果显示，SPICE事件中碳同位素与铈异常数据存在紧密的耦合变化，随着碳循环波动开始，海水的含氧量明显下降，这一耦合变化可能与海平面下降导致的大陆风化和营养元素供应增加所推动的海洋初级生产力提高有关。大量新增有机碳的再矿化过程消耗海水中的氧气，从而导致了海水氧含量的下降。通过分析三叶虫动物化石多样性数据，发现SPICE事件之前三叶虫动物属种以区域性分布的徳氏虫类为主；但随着碳同位素正漂移和海水氧含量下降，化石属种多样性并未发生明显变化，但三叶虫动物属种成分发生重大更替，徳氏虫类完全被斜坡栖息的三叶虫类（例如Fenguanella、Proceratopyge、Prochuaia和Paracoosia）所取代。该现象与在北美大陆发现的同期Marjumian末灭绝事件中三叶虫的演替模式相一致，即浅水栖息的三叶虫动物群被更加缺氧耐受的深水三叶虫动物群所替代，表明这种三叶虫动物演替是一种全球性现象。研究首次清晰地揭示SPICE事件期间的局部生态压力对三叶虫动物集群演替造成了直接影响。值得一提的是，新的铈异常数据还表明，尽管海水含氧量下降，但并未降到完全缺氧状态（海水溶解氧含量 = 0），这一结果也很好地解释前人发现的矛盾，即在SPICE事件期间底栖动物群的大量出现与地球化学数据指示的海水完全缺氧之间冲突。南京古生物所研究员陈吉涛、高级工程师吕苗、博士孙智新、博士胡春林参与了本项研究。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的资助。研究前期工作得到了山东省地质科学研究院的《山东省张夏-崮山地区台地相寒武系-奥陶系界线层型剖面研究》课题支持，研究所有实验分析工作均在南京古生物所公共技术实验中心完成。论文相关信息：Aihua Yang, Bo Chen*, Zhixin Sun, Rosalie Tostevin, Tianchen He, Xi Chen, Jitao Chen, Miao Lu, Chunlin Hu, Shengxian Du, Jun Chen, Wenjun Jiao, Maoyan Zhu; Shallow ocean deoxygenation drove trilobite turnover during the late Cambrian SPICE event. Geology 2024; https://doi.org/10.1130/G52200.1.晚寒武SPICE期间碳同位素铈异常、三叶虫动物多样性之间的相关性古海水氧含量下降驱动三叶虫动物面貌在SPICE事件中发生重大演替2024-06-28 -
铁质鲕粒矿物分异和成因机制研究新进展铁质鲕粒是指与碳酸盐鲕粒类似，但是以铁氧化物或鲕绿泥石等含铁矿物为包壳，以同心纹层结构为主的球形、椭球形沉积颗粒，是鲕铁岩及铁建造等铁质沉积（铁含量超过15wt%）中最特征的组分，也广泛发育在碳酸盐岩和碎屑岩等非铁质沉积中。对铁质鲕粒的研究关系到深入认识地史时期的铁质沉积，具有重要经济价值以及古气候、古海洋和构造运动指示意义，但是目前对其关键控制因素和成因机制仍存在许多分歧。中奥陶世晚期，铁质鲕粒沉积广泛发育在川西南、川南、滇东北、黔北以及陕南等地区，在宁南华弹一带富集，被称为“宁南式”铁矿，在非富集区则以透镜状或层状产出于砂岩、粉砂岩和灰岩中，其良好的出露和多样化的赋存岩性为了解铁质鲕粒的形成机制提供了契机。近期，中国科学院南京地质古生物研究所助理研究员栾晓聪和研究员詹仁斌，与加拿大萨斯喀彻温大学及西安大略大学的科研人员合作，在广泛踏勘和实测华南上扬区中–上奥陶统的基础上，对不同古地理位置的铁质鲕粒及地层序列开展了沉积学和岩石矿物学的研究。研究成果先后分别发表于国内地学核心期刊《地层学杂志》、国际沉积学领域专业期刊《沉积学》（Sedimentology）。研究发现，该套铁质鲕粒沉积时代主要为达瑞威尔中–晚期（中奥陶世），见于华南上扬子区中–上奥陶统华弹组和十字铺组等；代表的是呈“马赛克”状的浅海环境，由局限和半局限潟湖相、开阔海潮下带相以及滨岸相组成。不同相区的铁质鲕粒具有结构和矿物组成上的分异，在川滇交界至川西南以鲕铁岩、砂页岩、灰岩形式产出，含铁矿物以赤铁矿（3价铁氧化物）为特征；而在滇东北–川南–黔北以及陕南川北多为灰岩，含铁矿物以鲕绿泥石（2价3价铁层状硅酸盐）为主。赤铁矿和鲕绿泥石类型的鲕粒均形成于海平面快速上升时的环境转变期，区别在于受控于不同沉积过程，前者的沉积环境由局限环境向开阔环境变化，伴随着氧化还原波动相关的静止和侵蚀交替期，而后者形成于长期凝缩的半局限环境，具有交替出现的相对富氧状态和富营养化驱动的缺氧状态。研究结果表示，周期性的环境变化是圈层形成的决定因素，而与不同沉积过程相关的氧化还原波动则造成了不同类型铁质鲕粒类型间的矿物分异，或受微生物如微需氧铁细菌和铁还原细菌等的生命活动控制和影响。该研究得到了国家自然科学基金委项目和中国科学院先导专项等的共同资助。论文相关信息：栾晓聪, 吴荣昌, 王光旭, 魏鑫, 詹仁斌. 2022. 浅谈华南上扬子区中奥陶统铁质鲕粒沉积. 地层学杂志 46(1): 23-39. https://doi.org/10.19839/j.cnki.dcxzz.2021.0043.LUAN, Xiaocong, SPROAT, Colin D., JIN, Jisuo, ZHAN, Renbin. 2024. Depositional environments, hematite–chamosite differentiation and origins of Middle Ordovician iron ooids in the Upper Yangtze region, South China. Sedimentology. https://doi.org/10.1111/sed.13213.华南上扬子区中奥陶统铁质鲕粒的形貌、矿物组成和赋存岩性赤铁矿类型鲕粒的显微结构和组成鲕绿泥石类型鲕粒的显微结构和组成赤铁矿和鲕绿泥石类型鲕粒成因模式示意图2024-06-28 -
数据分析揭示泥盆纪植物传播模式植物通过孢子、种子等途径散播、定植在不同的生境，塑造了不同的植物地理分区。传播现象广泛存在于现生植物中，如漫天飞舞的柳絮，蒲公英种子随风飘扬等都代表了现代植物的传播现象。在地质历史时期，植物是如何散播的呢？目前，植物传播的研究主要集中于被子植物，且更关注于百年尺度内的植物传播现象，而对于地质历史时期植物的传播知之甚少。因此，全球化石记录数据成为识别地质历史时期的植物传播的独特证据。近期，中国科学院南京地质古生物研究所早期陆生植物演化研究团队研究员徐洪河、黄冰，博士研究生刘炳材、王凯、白姣，联合曲阜师范大学博士汪瑶，构建了全球泥盆纪植物化石记录数据集，对泥盆纪植物化石记录数据进行了选取和梳理，并开展了时空分布、网络、多样性、和古地理方面的综合分析，识别出了泥盆纪植物的传播模式和古植物地理分区。研究成果发表于国际古生物领域专业期刊《古生物学》（Palaeontology）。研究表明，草本石松和前裸子植物多样性在中泥盆世吉维特期到达了顶峰。其经、纬度分布显示，草本石松早泥盆世时期主要集中分布在南半球中高纬度地区，随后在中—晚泥盆世分别向北、向东扩散到北半球，最终全球分布；前裸子植物自中泥盆世到晚泥盆世也呈现出向东扩散的趋势。随着泥盆纪植物的全球扩散，其植物地理分区也逐渐形成，通过网络分析和聚类分析等定量手段，华南植物大区和欧美—西伯利亚植物大区在中泥盆世时期已经形成，并被识别出来。基于泥盆纪植物的时空分布模型，草本石松、前裸子植物和不同孢型在泥盆纪时期的全球扩散存在两种传播路径。路径1呈顺时针方向，由南美或北美等地开始，经波罗的海大区、哈萨克斯坦、准噶尔等板块，到达西伯利亚板块；路径2呈逆时针方向，由南美或北美等地开始，经由冈瓦纳大陆北缘传播至澳大利亚或华南板块。这两条路径的形成与泥盆纪时期的海陆分布具有密切联系。研究团队还基于泥盆纪植物的传播，识别出了深时植物的两种传播模式：陆内传播和陆间传播。陆间传播依靠风、洋流等因素驱动，泥盆纪时期准噶尔一系列火山岛弧为典型的陆间传播塑造了路径。陆内传播则是由植物根系、风、淡水或动物等为传播媒介，比如，泥盆纪时期植物沿冈瓦纳大陆北缘的传播即为该模式。研究团队系统总结了深时植物传播的演变过程，推断认为，陆生植物自隐孢子阶段可能已由洋流、风等因素驱动，开始了全球传播过程，随着植物繁殖体的不断演化，以及传播媒介多样性和复杂性不断增加，共同促进了植物定植生境的扩大和多样性的增加。本研究得到了国家重点研发计划专项支持，也是深时数字地球（Deep-time Digital Earth, DDE）国际大科学计划的系列研究成果之一。论文相关信息：Liu, B. C., Wang, K., Bai, J., Wang, Y., Huang, B., & Xu, H. H. (2024). Plant dispersal in the Devonian world (c. 419–359 Ma). Palaeontology, 67(3), e12699. https://doi.org/10.1111/pala.12699.泥盆纪植物时空分布与传播路线地史时期植物传播模式图基于化石记录的植物繁殖体与传播媒介演化2024-06-27 -
利用银杏叶片化石追踪古大气汞浓度的变化植被是大气汞循环中重要的汇（Sink）之一。在植被参与的大气汞循环中，叶片通过对大气气态汞（Hg0）的吸收与积累作用，将汞元素贮存在叶片组织内部。研究表明，现生植物地上组织中所含的汞元素大多来源于大气，其总量的80%被贮存在叶片中。由于植物叶片与大气汞之间存在着紧密的联系，因此植物叶片被认为是记录大气汞浓度变化的良好指标之一。在地质历史时期，大气中的汞异常通常由古火山活动、古火灾事件等引发。同时期的植物会吸收大气中过量的汞元素，并将这些汞异常变化的信息保存在化石中。然而，大气汞元素含量的波动变化是否能在远古时期的植物叶片角质层中保存并记录下来，仍是目前亟待研究的领域之一。近期，中国科学院南京地质古生物研究所研究员王永栋和爱尔兰都柏林大学博士Micha Ruhl研究团队，针对上述问题开展了交叉创新合作研究，提出银杏植物叶片化石可以作为追溯地质历史时期大气汞含量变化的有效参数。该研究成果发表在国际学术期刊《古地理，古气候，古生态》（Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology）。研究人员通过测量现生银杏（Ginkgo biloba）在逐月生长期内的叶片角质层样品，以及在中国10个不同地区采集的叶片样品的总汞浓度，研究了可能影响现代银杏叶片汞浓度变化的因素，认为区域环境中的气态汞浓度背景值可能是影响银杏植物叶片汞浓度的主要因素之一。此外，研究人员根据青海柴达木盆地大煤沟地区早–中侏罗世银杏类化石叶片角质层的总汞浓度，观察到化石样品中的汞浓度（585.5 ng⋅g-1）显著高于现代银杏叶片样品（61 ng⋅g-1）以及相同层位的沉积物样品（113 ng⋅g-1）。据此推测化石样品中高浓度的汞含量，可能是由于在叶片生长过程中吸收并存储了过量的气态汞所导致，并在后续化石形成过程中被保留下来。这很可能与早侏罗世开鲁-菲拉（Karoo-Ferrar）大火成岩省事件造成的全球大气气态汞浓度的变化有关，并影响了同时期银杏类植物叶片中的汞含量。本项目研究旨在探索“孑遗植物”银杏类化石叶片的地球化学元素特征对气候变化的响应及其在古环境变化研究中应用。研究结果表明银杏叶片化石角质层可以作为追溯古大气汞含量变化的有效参数，为古气候和古环境研究提供更多来自古植物化石材料的关键信息。南京古生物所博士后张立为论文第一作者，王永栋和Micha Ruhl为共同通讯作者。此项研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院战略性先导科技专项（B类）以及国家留学基金委等项目的资助。论文相关信息：Zhang Li, Wang Yongdong*, Ruhl Micha*, Kovács EB, Xu Yuanyuan, Zhu Yanbin, Lu Ning, Chen Hongyu, 2024. Plant cuticle as a possible palaeo-Hg proxy: Implications from Hg concentration data of extant Ginkgo L. and extinct ginkgoaleans. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 647, 112214. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2024.112214.现生银杏叶片组织/角质样品（A）及化石银杏角质层的汞浓度差异（B）植物叶片形成化石过程中影响化石角质层汞浓度的主要因素柴达木盆地下−中侏罗统古植物角质层与沉积地球化学等古气候环境指标的变化2024-06-27