一層薄薄的黑色頁巖，藏著馬里諾冰河時代生物生存和演化的奧秘。

日前，中國地質大學（武漢）教授童金南團隊研究發現，馬里諾“雪球地球”晚期中緯度存在海洋真核藻類的宜居環境。此前，科研人員僅利用計算機氣候模擬推測在赤道周圍地區存在無冰區。

耗時4年，該團隊深入神農架地區一個偏遠地點通過收集當地樣本，在生物地質與環境地質國家重點實驗室的穩定同位素平臺，開展分析方法開發和樣品測試工作，只為尋找古生物的“生態避難所”。這有助于人們認識和理解“雪球地球”時期生物如何生存、演化這一關鍵科學問題。

從太空看，地球被70%以上的湛藍海水覆蓋，像一顆藍色星球。它并不是一直這么暖，也曾被白皚皚的冰川嚴嚴實實包裹過，看上去就像一個白色的“雪球”。

“雪球”指的是地球出現的極端冷氣候事件，氣溫低到零下40℃至零下50℃，冰川從極地一直蔓延到低緯度地區甚至赤道。

圖源：視覺中國

中國地質大學（武漢）生物地質與環境地質國家重點實驗室研究員宋虎躍告訴科普時報記者，這樣極端的冰室氣候，在地球46億年的歷史中出現過5次，即太古代休倫大冰期、成冰紀大冰期、早古生代大冰期、晚古生代大冰期和第四紀大冰期（258萬年前）。其中，地球在前寒武紀距今7.5億到5.8億年前，曾經歷一次極其嚴重而漫長的冰河時代，全球先后出現了多次冰期。其中，當屬斯圖特冰期和馬里諾冰期最為漫長，且地球表層冰蓋迅速擴張至低緯度赤道地區，形成了全球冰封的局面，因此被稱為“雪球地球”時期。當時不僅陸地全部被冰川覆蓋，海洋表面也幾近被完全凍結。

“‘雪球地球’這一特殊氣候事件對地球生命演化起著重要的作用，隨著它的結束，海洋中的氧氣濃度迅速上升，早期動物開始出現。”宋虎躍說，但“雪球地球”時期的古海洋環境狀態及其變化卻鮮為人知。

一直以來，科研人員對“雪球地球”的模型存在爭議。一種觀點認為，雪球地球是個“硬雪球”，整個地球海洋表面覆蓋著高達1千米厚的冰層。

另一種觀點認為“雪球地球”并非全球冰封，氣候模擬結果顯示低緯度赤道地區存在開放水域。“然而，這兩種假說都不能很好地解釋‘雪球地球’時期生物如何生存演化這一關鍵科學問題。”童金南說。

2015年，童金南教授團隊的葉琴博士在《地質學》雜志上報道了產自神農架地區宋洛剖面南沱組黑色頁巖地層中的宏體碳質壓膜化石，其中部分被解釋為底棲宏體藻類，被稱為“宋洛生物群”。“宋洛生物群”生活在6.35億年前的馬里諾冰期時期，填補了成冰紀“雪球地球”時期宏體古生物化石的空白。然而，“宋洛生物群”與同期海洋環境條件之間的關系是怎樣的？彼時生物是如何生存的？

宋洛剖面古地理位置和宋洛生物群產出層位 圖源：中國地質大學武漢

宋虎躍聯合國內外相關學者對“宋洛生物群”產出層位（黑色頁巖層）和相鄰的冰磧巖層位，開展系統的碳同位素、氮同位素、鐵組分等沉積地球化學研究，推斷海洋底層海水和表層海水的氧化還原狀態。

“雖然研究發現的鐵組分數據表明底層水主要是貧氧—缺氧的，但黑色頁巖層的有機質氮同位素值偏重且與現代開闊海洋的相關值接近，意味著海水表層存在有氧的氮循環過程和顯著的硝酸鹽庫，這些條件對初級生產力的提升起到積極作用。”宋虎躍認為，結合“宋洛生物群”的古生物學數據和地球化學結果，在馬里諾冰期的減弱階段，生物地球化學循環是活躍的，且適合需氧真核生物的海洋環境可能普遍存在。此外，他還發現南沱組發育多個巖性旋回，可能代表馬里諾冰川是動態的。

開闊有氧水域擴張至中緯度地區的“雪球地球”新模型 圖源：中國地質大學武漢

綜合古生物化石和地球化學證據，研究人員對此前的“雪球地球”模型進行修訂，提出了一個中低緯度地區同時存在開闊海水環境的新“雪球地球”模型，將“生命的綠洲”從赤道擴大為更為寬闊的海域。“擴張的有氧開闊海洋環境為底棲真核藻類的生存和演化提供了重要的宜居環境，使得這些生物在冰期得以延續，并在‘雪球地球’結束之后快速繁榮。”宋虎躍說。