生命和地质如何共同锻造富含营养的地球地壳

大约500亿年前，海洋中的生命迅速多样化。在眨眼之间——至少在地质学方面——生命从简单的软体生物转变为带有贝壳和骨骼的复杂多细胞生物。

多样化也导致了地壳化学性质的急剧变化 - 我们行走的最上层，至关重要的是，提供许多生命必需营养的层。该研究发表在《科学进展》杂志上。

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 - 甚至重新设定了大陆地壳的化学性质，”该研究的主要作者，来自剑桥地球科学系的克雷格沃尔顿说。

利用全球科学家编制的古代岩石信息数据库，研究人员绘制了一张地图，以显示过去3000亿年来地壳的化学成分如何波动。他们发现，随着寒武纪大爆发时磷的增加，地壳岩石中这种关键营养物质的含量一直持续增长到今天。

“从大约540.<>亿年开始，我们看到生命改变了地壳上部的组成，”共同作者奥利弗·肖特尔说，他共同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进一步生命的生长，反过来，一个星球可以继续支持多少生命。

各种形式的生命——从惊人的鲸鱼到微小的浮游生物——都依赖于六种关键成分：碳、氢、氮、磷和硫。研究人员调查了磷，因为它不仅是生命普遍需要的，而且很难被利用，因为它被锁在地壳内的矿物质中。

“磷也被认为是限制海洋中可能存在的生命量的营养素之一，”肖特尔说。他解释说，通过绘制岩石中的磷随时间的变化，他们可以确定有多少这种元素可供生命使用，并进而了解地球上存在了多少生命。

与碳和氮不同，碳和氮是我们大气的关键成分，磷必须先从岩石中提取出来，然后才能使用。该过程始于由于与雨水相互作用而导致的岩石分解 - 释放磷酸盐，然后被河流冲入海洋。一旦进入海洋，磷就会被浮游生物或真核藻等生物代谢，然后被食物链上游的大型动物消耗掉。

当这些生物死亡时，大部分磷被送回海洋。这种高效的回收过程是对海洋中总磷含量的关键控制，这反过来又支持生命，“它使我们能够拥有我们今天在我们周围看到的所有生命，所以了解这个过程何时开始真的很关键，”沃尔顿说。

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

研究人员认为，寒武纪大爆发前后氧气的激增可能解释了为什么岩石中的磷会增加。“如果当时氧气确实增加了，那么可能有更多的氧气可以分解深海生物量并将磷回收到浅海岸地区，”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。“这一系列的变化最终导致了我们所知道的复杂生命的活动，”沃尔顿说。

但是，他补充说，“解开事件的顺序是很棘手的 - 复杂的生命是否部分是因为氧气和磷供应的增加而进化，或者它们是否实际上完全负责增加两者的可用性，仍然是一个有争议的话题。沃尔顿和团队现在正在寻求更详细地研究地壳中磷富集的触发因素和时间。