前寒武纪-寒武纪界线附近的撞击假说及其对生物圈的影响

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• 出版年：2010
• 作者：张维加；Daniel P．Connelly；俞杭杰
• 单位1：北京大学物理系
• 单位2：北京大学元培荣誉计划委员会
• 出生年：1987
• 学历：博士生
• 语种：中文
• 作者关键词：寒武纪；生命大爆发；银河系旋臂；撞击事件
• 起始页：167
• 总页数：13
• 经费资助：美国地质学会(Ceological Society of Ameriran)( No．20094815)
• 刊名：地质调查与研究
• 是否内版：否
• 刊频：季刊
• 创刊时间：1978
• 主管单位：国土资源部
• 主办单位：天津地质矿产研究所
• 主编：于海峰
• 电子信箱：tjlxinmiao@cgs.gov.cn；qhwjyjjz@163.com
• 卷：33
• 期：3
• 期刊索取号：P512.06627

摘要

根据化石记录可知，大量复杂生物类群迅速出现在早寒武世，这就是所谓的寒武纪生命大爆发。在此之前，有距今6亿年前的前寒武纪末埃迪卡拉生物群化石出现，此后的70～80 Ma里，生命就以上升了一个数量级的速率演化。这些在原始地层中看似迅速出现的化石，最早在19世纪中期就有所记录，达尔文认为，这是对他提出的进化论的自然选择观点的主要反对证据之一。
     有关新动物群的出现及演化长期困惑着地学界，集中在以下三点：在前寒武纪-寒武纪界线附近或早寒武世这个相对较短的时期内，存在着生命大爆发。是什么引起了这样的快速演化事件？这对于生命的起源与演化将意味着什么？对“寒武纪生命大爆发”的强烈兴趣还启发了20世纪70年代对布尔吉斯页岩化石记录的研究。不久之后，中国的澄江生物群包括对它后续的研究叉很好地支持了生命大爆发。
     在前寒武纪-寒武纪界线附近究竟发生了什么？随着笔者对寒武纪事件越来越多的了解，积累的数据使得很多原先提出的假说都变得不太可能了。通过作者对地球环境的改变和寒武纪生命大爆发详实的研究，发现这种改变是可以由撞击事件引起的。在对寒武纪时期的地球进行了详细的研究之后，笔者提出了新的见解。
     前寒武纪晚期，存在大型的陨击事件。碰撞的高温结束了大冰期，使生物信息得以交流。同时，撞击启动基因调控机制、释放HSP90变异。一方面，调控基因决定了其他基因的表达，最早的调控基因发现于布尔吉斯页岩中(535 Ma)。另一方面，HSP90原本是积累突变的蛋白，一旦环境突然发生变化，所有DNA突变将得以表达，在短时间内新的生命形式得以进化。并且这种变化是可以遗传的。然后，在新生臭氧层保护与有氧呼吸能量供应下，地球另一端幸存地下生命爆发，产生硬壳及复杂的新陈代谢以适应高温高压。
     现代的银河系天文理论，即密度波理论，在本文中被应用以试图解释这种撞击背后的天文学诱因。5～6亿年前的寒武纪事件使笔者联想起另外两次仍然存在争议的大规模撞击事件，它们引起的大气变化、水圈变化、生物圈变化、碳酸盐岩变化、磷矿变化都惊人的相似。形成于17亿年以前的Sadbury陨击坑直径为200 km，是最大陨击坑之一；23亿年以前(23.3～22.88亿年)地质环境（沉积圈、生物圈、水圈、大气圈）发生了由地外因素引起的灾变。灾变后，火山活动明显减弱，富氧大气圈形成，生物演化出现飞跃，叠层石开始广泛发育，碳酸盐岩在备大陆大量沉积，第一次全球性磷矿期开始发育。根据几处23亿年左右陨落的大量消溶型铁质宇宙尘的发现，推论该灾变的起因是与陨击作用有关的宇宙事件，且地表23亿年前的泛火山运动和月岩年龄分布（23～25亿年）以及月表陨石坑构造等表明：23亿年前，地外物体对地球的冲击作用非常强烈。再考虑到6 500万年前的契科苏博鲁陨击事件，也就是说，在已经得到广泛承认的和存在争议但有事实支持的地外灾变事件中规模最为巨大的三次撞击事件符合5～6亿年这一大周期。5～6亿年正是太阳系扫过银河系四条主旋臂一次所用的时间：太阳绕银河一周的时间大约是290个百万年。而由于在太阳绕银河转的时候，银河系的四条大旋臂同样旋转，并且其螺旋势场的角速度约是太阳系的一半，最终叠加的结果就是这样的一个大周期。密度波理论表明，旋臂处质量密度非常大，并且形成旋臂的螺旋引力场将对太阳系产生影响，诱发撞击事件。
     本文通过前人定性证据和笔者实地考察表明，上述假说与当时的绝大多数重要天文事件和地质发现相吻合，广泛的铱异常与位于澳大利亚的大型陨击坑均有发现。对澳大利亚的Acraman陨击坑和MAPCIS陨击坑的基底构造实地分析也表明了前寒武纪未曾经存在过陨击事件。
     最后笔者利用计算机模拟了大气圈变化。模拟分两步进行，首先从岩石热分解得出需要的温度与压强数据，而后将数据作为参数用于模拟。数据结果表明撞击区域的大气温度在4 000 K左右，压强为5 600 Bar。撞击增加了大气中二氧化碳和氧气的含量，并强化了臭氧层。这些含量的变化与地质上的记录一致。