生命和地质学如何共同作用形成地球营养丰富的地壳

大约 5 亿年前，海洋中的生命迅速多样化。眨眼之间——至少在地质学术语中——生命从简单的软体生物转变为复杂的多细胞有机体，有壳有骨骼。

现在，由剑桥大学领导的研究表明，此时生命的多样化也导致地壳的化学性质发生了巨大变化——我们行走的最上层，而且至关重要的是，提供许多营养物质的地层对生活至关重要。

研究人员发现，在所谓的寒武纪大爆发之后，地壳岩石中赋予生命的营养磷的数量增加了两倍——这一变化支持了地球上生命的持续扩张。

“我们发现古代生命对其环境产生了深远的影响——甚至到了重置大陆地壳化学成分的地步，”来自剑桥大学地球科学系的该研究的主要作者克雷格沃尔顿说。

研究人员利用全球科学家收集的古代岩石信息数据库，绘制了一张地图，显示地壳的化学成分在过去 30 亿年中是如何波动的。他们发现，随着寒武纪大爆发时磷含量的增加，地壳岩石中这种关键营养物质的含量一直持续增加，直到今天。

“从大约 5.4 亿年开始，我们看到生命改变了地壳上部的成分，”合著者 Oliver Shorttle 说，他同时在剑桥大学地球科学系和天文学研究所工作。“这表明生命的发展如何影响更多生命的成长，进而影响一个星球可以继续支持多少生命。”

各种形式的生命——从巨大的鲸鱼到微小的浮游生物——都依赖六种关键成分：碳、氢、氮、磷和硫。研究人员对磷进行了研究，因为它不仅是生命普遍需要的，而且由于它被锁在地壳内的矿物质中而难以利用。

“磷也被认为是限制海洋中生命数量的营养物质之一，”肖特尔说。他解释说，通过随时间绘制出岩石中的磷，他们可以确定这种元素中有多少可供生命使用，进而了解地球上存在过多少生命。

与大气中的关键成分碳和氮不同，磷必须先从岩石中提取出来，然后生命才能使用它。该过程始于岩石因与雨水的相互作用而破裂——释放出磷酸盐，然后被河流冲刷到海洋中。一旦进入海洋，磷就会被浮游生物或真核藻类等生物代谢，然后被食物链上游的大型动物消耗掉。

当这些生物死亡时，大部分磷会返回海洋。这种高效的回收过程是对海洋中总磷含量的关键控制，而海洋中的总磷反过来又支持生命，“它使我们能够拥有今天在我们周围看到的所有生命，因此了解这个过程何时开始非常关键，”沃尔顿说。

但是，所有这些生物后处理能力都依赖于氧气。这就是负责分解死有机物质的细菌的燃料，这些死有机物质将磷返回海洋。

研究人员认为，在寒武纪爆发前后氧气的激增可能解释了为什么岩石中的磷含量增加。“如果当时氧气确实增加了，那么可能会有更多氧气可用于分解深海生物量并将磷循环到浅海沿海地区，”沃尔顿说。将这种磷移回陆地意味着它可以更好地保存在构成大陆的岩石中。“正如我们所知，这一系列变化最终导致了复杂生命活动的爆发，”沃尔顿说。

但是，他补充说，“要弄清楚事件的顺序是很棘手的——复杂生命的进化是否部分是由于氧气和磷供应的增加，或者如果它们实际上对增加这两种可用性负有全部责任，仍然是一个有争议的话题。” 沃尔顿和团队现在希望更详细地研究地壳中这种磷富集的触发因素和时间。