回顧5.4億年前，這是一個新時代的曙光，地球上的生命即將發生一件非常重大的事情。在接下來的1000萬年裡——在我們這個星球漫長的歷史中，眨眼之間——幾十種新型動物將突然出現在海洋中。

這種生命的爆發標誌著地球歷史上一個叫寒武紀的時期的開始。這是如此戲劇性，如此之快，以至於科學家稱之為寒武紀大爆發.

• 上圖：在這位藝術家對寒武紀時期海洋景象的構想中，左上角可怕的食肉動物，被稱為“不尋常的加拿大蝦”（unusual Canadian shrimp）追逐著三隻三葉蟲。

“地球上最大規模的動物多樣化發生在寒武紀，”大衛哈珀說，這位古生物學家在英國達勒姆大學工作。

哈珀說，在寒武紀之前，海洋動物只被劃分為幾個類群，即門（fy luh），生命形式相對簡單，例如細菌和一些蠕蟲。現在，海洋突然充滿了生物，有些有堅硬的外殼，其他生物有神經索。許多生物可以搖擺、挖洞或游泳，它們為不同的功能進化了不同的器官，包括眼睛。

今天存在的動物門90%都出現在那短短的一段時間內。每個門中的動物通常有相似的體型。其中一個新的群體是有脊椎動物動物，今天這個群體包括所有魚類、爬行動物、鳥類、兩棲動物和哺乳動物。另一種是節肢動物，現在包括昆蟲，蛛形綱動物（A-RaK-NIDZ）和甲殼類（Krus TAY Suns）。此時，輻射對稱的動物，如海星和海膽的祖先也出現了，這些動物被稱為棘皮動物。

• 上圖：藝術家對歐巴賓海蠍的概念圖，一個真正奇怪的寒武紀生物。這種拇指大小的生物有五隻蘑菇狀的眼睛和一個像大象一樣的微型鼻子，末端有一個抓手。

在這麼短的時間內，出現這麼多的物種，這是地球史上絕無僅有的一次。（儘管從那以後，幾次大規模的物種滅絕也同樣迅速地消滅了幾乎同樣多的物種。）

沒有人真正知道是什麼觸發了生命的爆發，這在我們星球的歷史上是獨一無二的。但最近，研究發現了新的線索，說明地球的地質、化學和大氣的變化如何影響寒武紀的爆發，以及生命多樣性的快速增長如何反過來影響了地球。

寒武紀

在加拿大不列顛哥倫比亞的落基山脈發現了一個岩層，從中可以窺見寒武紀的生物大爆發。這個伯吉斯頁岩保存了無數寒武紀生物化石。這些生物被困在泥濘的海洋沉積物中之後變成了化石，這些沉積物後來變成了石頭。化石記錄了這些生物的詳細情況。不僅是骨骼和貝殼等堅硬的身體部位，還有肌肉、內臟和其他柔軟部位。

• 上圖：查爾斯·杜利特·沃爾科特（左）1909年在加拿大落基山脈發現了伯吉斯頁岩。在這裡，他和兒子西德尼（中）和女兒海倫（右）在岩石中尋找化石，大約在1913年。

一些伯吉斯頁岩生物似乎有點熟悉。以歐巴賓海蠍為例，這個拇指大小的動物有五個蘑菇狀的眼睛和一個象大象一樣的微型鼻子，末端有一個抓爪。歐巴賓海蠍也有奇怪的夥伴，例如，與歐巴賓海蠍同時期一隻小動物，幾乎都是腿和尖刺——像一個行走的、裝甲的蛞蝓。這太奇怪了，生物學家把它命名為"怪誕蟲"——好像只有幻覺才能解釋這種生物。

伯吉斯化石揭示了一個迷人的世界。然而寒武紀生命大爆發遠不止是許多奇異的新動物。“關於寒武紀爆發的一件大事是第一個動物群落出現，”哈珀對《科學新聞》說，“在那之前，動物不是很多樣化或常見。”

氧氣上升

早些時候，在被稱為前寒武紀的很長一段時間裡，生活很簡單。細菌占主導地位，靜靜地聚集成黏糊糊的墊子。然後，從35億年前開始，其中一些細菌開始產生氧氣，作為光合作用的副產品。在此之前，需要的氧氣的複雜的動物很少或根本沒有。

大約23億年前，大氣和海洋中的氧氣含量突然上升，鐵開始與氧氣發生氧化反應，你可能認為它生鏽了。伴隨著空氣中氧氣含量的急劇上升而來的鐵生鏽，在岩層中被永久記錄下來。其中包括一些被稱為帶狀鐵質地層。

在接下來的18億年裡，導致寒武紀大爆發的氧氣水平究竟發生了什麼還不清楚。科學家們想知道：在這段時間裡，氧氣水平是否逐漸上升？或者是氧氣水平飆升，為生命大爆發提供了一個快速的觸發器？

時間囊

想象一下，能夠測試實際的前寒武紀海水的水滴，以瞭解在遙遠的過去的某個特定時刻海洋所含的氧氣量。娜塔莉·斯皮爾就是這麼做的。去年，這位地質學家和她在州立大學賓夕法尼亞州立大學的團隊在澳大利亞發現了古老的海水水滴，它們被困在8.3億年前的鹽晶體中。當鹽水蒸發後，會留下這種叫做石鹽的礦物。

“海水隨著鹽晶體的生長而被捕獲，”斯皮爾解釋說。她補充道，找到這些晶體是“非常了不起的”，“很難找到保存完好的老鹽。”岩鹽樣本中的海水比任何分析過的都要古老近3億年！

被困在晶體中的液體稱為流體包裹體。“流體包裹體是很小的時間膠囊，”琳達·卡解釋道，她是田納西大學諾克斯維爾分校的地質學家，研究前寒武紀的岩石，以確定它們形成時存在的化學條件。

• 上圖：石鹽是海水蒸發時形成的一種礦物。研究人員在8.3億年前的石鹽晶體中發現了海水水滴，這使得他們能夠估算前寒武紀海洋中的氧氣含量。這樣的測量讓專家們看到氧氣的穩定增加是如何為寒武紀的爆炸奠定了基礎的。

海水蒸發時，氧氣本身就消失了。所以斯皮爾分析了古代海水中的硫化物，它叫硫酸鹽。通過測量硫酸鹽，她的研究小組有了一種方法來估算古代海水曾經含有多少氧氣。

聽起來很奇怪，但它之所以起作用，是因為空氣中的氧氣會使陸地上含有鐵和硫的岩石風化或侵蝕。“即使大氣中僅有一點氧氣，也能使岩石風化，”琳達·卡說。

然後雨水將腐蝕的岩石沖刷到海洋中。在海洋裡，氧與硫反應形成硫酸鹽。岩石中的氧氣越多，最終進入海洋的硫酸鹽就越多。

斯皮爾的研究小組發現，8.3億年前的硫酸鹽含量只有今天的10%。這一水平將與含氧量約為2%的大氣相一致。相比之下，今天的氧氣約佔空氣的21%。

對其他海水包裹體的科學研究提供了一些線索，表明在更接近寒武紀的時間點上硫酸鹽和氧氣的含量。他們顯示，到大約5.4億年前的前寒武紀末期，海洋硫酸鹽水平已經上升到今天水平的50%到80%。賓州州立大學的斯皮爾說，氧氣含量也會上升一個類似的數量。她的團隊在2014年2月的《地質學》雜誌上描述了他們的新發現。

• 上圖：一位到加拿大伯吉斯頁岩地層的遊客舉起了幾具三葉蟲化石。在寒武紀，當生物多樣性激增時，海洋動物非常豐富。

最近的另一項研究也表明，低氧水平在延緩生命的巨大多樣化方面發揮了作用。本研究通過分析古岩層中的微量金屬來測量氧的上升。由康涅狄格州紐黑文耶魯大學的諾亞·普蘭納夫斯基領導的一個國際研究小組，在2014年10月31日的《科學》雜誌上發表了研究結果。

綜合起來，這些研究提供了世界海洋在寒武紀大爆炸中增加了多少富氧的快照。

棲息地助手

幾億年來氧氣水平的穩步上升，無疑為即將到來的動物生命大爆發奠定了基礎。

然而，氧氣並不是前寒武紀最後3億年裡唯一改變的東西。主要是冰河時代來了又走，伴隨著寒冷的天氣，這些冰河時代使海平面上下起伏。此外，地球上巨大的構造板塊也在移動，它們改變了大陸的大小和位置，進而改變了海洋和大氣的環流模式。地球上所有這些變化都會影響到地球上的生命。

唐·坎菲爾德說，寒武紀大爆發前出現的簡單的生命形式也幫助奠定了基礎。唐·坎菲爾德是丹麥南部奧登塞大學的地質學家，主要研究古代海洋的化學。

• 上圖：這個來自猶他州的化石揭示了一種寒武紀蠕蟲。這些蠕蟲的穴居有助於將氧氣混合到淺海底部的沉積物中。更多的氧氣，反過來，使沉積物更適合其他生物居住。

他指出，海洋動物，例如蠕蟲，早在寒武紀開始前1000萬年就已經在海洋中鑽洞了。他對《科學新聞》說，這種攪動可能改變了覆蓋淺海底的沉積物的化學成分。最關鍵的是，蚯蚓的活動混合了更多的氧氣，使沉積物更適合動物棲息。

一連串的事件

達勒姆大學古生物學家哈珀考慮了所有可能導致寒武紀生命大爆發的因素。他讀到了其他人發現的東西——前寒武紀化石、對古代氧含量的新估計、大陸的變化和不斷變化的氣候。他還探測岩石和化石尋找線索。

去年，在英國牛津大學與M.保羅·史密斯合作時，哈珀得出了關於寒武紀爆發的結論：“這是一連串的事件，而不是一件事。”他補充道，“生命經歷了一系列的變化。“哈珀和史密斯在2013年9月20日的《科學》雜誌上發表了他們的評估。

​哈珀稱這些變化為“反饋循環”。他的意思是，隨著一個條件的改變，另一個條件的響應也隨之改變。這使得第一種情況發生了更多的變化。這一過程加快了適應和變化的速度。

哈珀說，捕食關係就是一個很好的例子。隨著捕食者的進化，他們的獵物也必須進化，如果它希望避免被吃掉，獵物可能會長出更厚的殼或開始挖洞。“然後，”他說，“捕食者也會通過改變做出反應。”哈珀說，結果波及整個生態系統。例如，怪誕蟲最有可能發展出這些討厭的刺來阻止捕食者。

同時，地質變化也起到了一定的作用。隨著冰融化，海平面上升。上升的海水淹沒了海岸線。這反過來又為動物創造了更淺的水下棲息地，比如坎菲爾德描述的那些穴居蠕蟲。更多的挖洞會把更多的氧氣轉移到沉積物中。更多的氧氣反過來會刺激更多的挖洞。

海平面上升也侵蝕了更多的海岸線，哈珀說。這反過來又把更多的礦物衝進了海洋。其中的元素當然包括硫，也包括磷和鈣。事實上，早寒武世海水中的鈣含量增加了三倍。

哈珀解釋說：”鈣是形成貝殼類物質基礎。“ 隨著時間的推移，海洋中的動物長出了更厚、更華麗的貝殼。他說，這是一件“在寒武紀大爆發期間變得非常明顯的事情”。

• 上圖：伯吉斯頁岩中發現了各種奇怪的動物，如長滿脊椎的瓦克西婭波紋巖。捕食者與其獵物之間的關係可能有助於推動寒武紀許多新生物的進化，因為物種競爭特別殘酷。

哈珀懷疑，這種“反饋循環”可能會導致動物多樣性迅速增加。哈珀和史密斯的工作向我們展示了地球地質學和生物學有多麼緊密的聯繫，只要其中一項有變化，其他就會跟著發生改變。