物种大爆发

产生出寒武爆发的基本观点

100多年以来的证据产生出解释寒武爆发的两种基本观点。一种观点认为，寒武爆发是一种假象，这是某些达尔文或新达尔文主义者所持的观点。另一种观点认为，寒武爆发代表了生物进化过程中的真实事件，科学家从物理环境和生态环境的变化两个方面来解释这一现象。

什么是物种大爆发

指某一个地质时期中，大量生物类群集中的、短时间内出现。这称为物种大爆发。著名的生物大爆发是寒武纪物种大爆发。

所谓的“一下子”指的不是短短的一瞬间，而是长达上千万年的时间。寒武纪生命大爆发吸引了无数的古生物学家和进化论者去寻找证据并探讨其起因。

物种大爆发的解释

寒武爆发假象说

由于进化是渐进的，所谓的“爆发”只是表明首次在生物化石记录中发现了早在前寒武纪就已经广泛存在并发展的生物，其它的生物化石群则可能由于地质记录的不完全而“缺档”，造成这种“缺档”的原因是前寒武纪地层经历着热与压力，其中的化石被销毁了。由于发现前寒武纪化石沉积层中存在大量像细菌和蓝藻这样简单的原核生物，因而这一解释不再有说服力。

氧水平变化

1965年，两位美国物理学家提出了寒武爆发是由于地球大气的氧水平这个物理因素造成的。他们认为，在早期地球的大气中含有很少或根本就没有自由氧，氧是前寒武纪藻类植物光合作用的产物并逐渐积累形成的。后生动物需要大量的氧，一方面用于呼吸作用，另一方面氧还以臭氧的形式在大气中吸收大量有害的紫外线，使后生动物免于有害辐射的损伤。生物学家则从生物本身的生态关系来探讨这一问题，因为地质学的证据否定了这种氧理论的观点。大约在距今10亿年至20亿年之间广泛沉积层中含有大量严重氧化的岩石，这说明在这一时期内已经存在足够生命爆发的氧条件。因而生物学家从两个重要事件的出现来探索造成寒武爆发的原因，即有性生殖的产生和生物收割者的出现。

有性繁殖出现

从化石资料来看，真核藻类大约在9亿年前出现了有性生殖，实际上，有性生殖出现得更早。有性生殖的发生在整个生物界的进化过程中有着极其重大的作用，由于有性生殖提供了遗传变异性，从而有可能进一步增加了生物的多样性，这是造成寒武爆发的原因之一。

生物收割者假说

生物收割者假说是美国生态学家斯坦利提出的，是一种解释寒武爆发的生态学理论，即收割原则。斯坦利认为，在前寒武纪的25亿年的多数时间里，海洋是一个以原核蓝藻这样简单的初级生产者所组成的生态系统。这一系统内的群落在生态学上属于单一不变的群落，营养级也是简单的。由于物理空间被这种种类少但数量大的生物群落顽强地占据着，所以这种群落的进化非常缓慢，从未有过丰富的多样性。寒武爆发的关键是草食收割者的出现和进化，即食用原核细胞(蓝藻)的原生动物的出现和进化。收割者为生产者有更大的多样性制造了空间，而这种生产者多样性的增加又导致了更特异的收割者的进化。营养级金字塔按两个方向迅速发展：较底层次的生产者增加了许多新物种，丰富了物种多样性，在顶端又增加了新的“收割者”，丰富了营养级的多样性。从而使得整个生态系统的生物多样性不断丰富，最终导致了寒武纪生命大爆发的产生。对于“收割理论”科学家们目前还没有找到直接的证据来证明其正确性，然而，一些间接的证据支持了这一理论。间接证据之一来自于前寒武纪叠层石，这些由藻类组成的叠层石中保存了前寒武纪最丰富的生产者群落。今天，叠层石仅盛产于缺少后生动物收割者的贫瘠环境中，如超盐量的咸水湖中。藻类在前寒武纪地层中的大量存在，大概反映了当时收割者的贫乏。另外，生态学野外研究也提供了一些间接的证据，研究表明，在一个人工池塘中，放进捕食性鱼，会增加浮游生物的多样性；从多样的藻类群落中去掉海胆，会使某一藻类在该群落中占统治地位而多样性下降。寒武爆发作为地史上的第二大悬案一直为人们所关注。随着化石的不断发现及新理论的建立，这一地史之迷最终将大白于天下。

钙的大量涌现

自《生物学通报》2000年第7期美国科学家日前发现的证据表明，海洋中钙的大量涌现可能在寒武纪大爆发中发挥了巨大作用。大约在5．3亿年前，地球上的动物经历了一次新生，所有现生动物的祖先在这个时候进化出了骨骼和壳体。长久以来，科学家一直迷惑不解的是，究竟是什么促使了地球生命在寒武纪时突然呈现出丰富多彩的多样性。动物为什么会进化出壳体？最明显的理由是为了避免被吃掉。另外一个观点也许有助于解释生命的这一硬体部分为什么最初出现在早寒武纪：大气中含氧量的上升让动物能够建立起更为复杂的身体结构。20世纪70年代，科学家提出了一种新假设：在早寒武纪的环境中为了消化身体中突然涌现的钙，海洋生物开始了壳的进化。但是，海洋化学变化一直缺乏直接证据。保存有早寒武纪海水的微小包块隐藏在岩石内部。现在，三位地球化学家对这些小包块中的钙含量进行了测量。美国地质调查署的Sean Brennan、纽约州立大学的Tim Lowenstein和美国橡树岭国家实验室的Juske Horita对24个可能是在5．44亿年前的前寒武纪时期在海底形成的盐晶体进行了检测，同时还对14个大约是在5．15亿年前形成的早寒武纪样品进行了测试。他们将晶体打碎，分析了其中微型水滴的组成。他们在6月份出版的《地质学》中报告说，早寒武纪的钙含量比原生代的钙含量至少高出3倍。研究人员指出，这些钙应该来自于地中海海脊火山爆发时喷入热海水中的钙。他们强调指出高水平的地壳活动、钙的喷入和“寒武纪大爆发”看似支持了这样的观点：即早期生命演化出壳和骨骼是为了解决海水中钙含量升高而造成的潜在毒性。美国堪萨斯大学的地质学家Robert Goldstein说，海水化学性质影响生命进化的观点令人激动。他说，虽然需要做更多的工作才能明白海洋中的钙究竟是生命进化的原因或是结果，但钙应该是个重要因素。其它的环境因素也是重要的。（来源：《科学时报》2004年6月4日）

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