回顾5.4亿年前，这是一个新时代的曙光，地球上的生命即将发生一件非常重大的事情。在接下来的1000万年里——在我们这个星球漫长的历史中，眨眼之间——几十种新型动物将突然出现在海洋中。
这种生命的爆发标志着地球历史上一个叫寒武纪的时期的开始。这是如此戏剧性，如此之快，以至于科学家称之为寒武纪大爆发.
- 上图：在这位艺术家对寒武纪时期海洋景象的构想中，左上角可怕的食肉动物，被称为“不寻常的加拿大虾”（unusual Canadian shrimp）追逐着三只三叶虫。
“地球上最大规模的动物多样化发生在寒武纪，”大卫哈珀说，这位古生物学家在英国达勒姆大学工作。
哈珀说，在寒武纪之前，海洋动物只被划分为几个类群，即门（fy luh），生命形式相对简单，例如细菌和一些蠕虫。现在，海洋突然充满了生物，有些有坚硬的外壳，其他生物有神经索。许多生物可以摇摆、挖洞或游泳，它们为不同的功能进化了不同的器官，包括眼睛。
今天存在的动物门90%都出现在那短短的一段时间内。每个门中的动物通常有相似的体型。其中一个新的群体是有脊椎动物动物，今天这个群体包括所有鱼类、爬行动物、鸟类、两栖动物和哺乳动物。另一种是节肢动物，现在包括昆虫，蛛形纲动物（A-RaK-NIDZ）和甲壳类（Krus TAY Suns）。此时，辐射对称的动物，如海星和海胆的祖先也出现了，这些动物被称为棘皮动物。
- 上图：艺术家对欧巴宾海蝎的概念图，一个真正奇怪的寒武纪生物。这种拇指大小的生物有五只蘑菇状的眼睛和一个像大象一样的微型鼻子，末端有一个抓手。
在这么短的时间内，出现这么多的物种，这是地球史上绝无仅有的一次。（尽管从那以后，几次大规模的物种灭绝也同样迅速地消灭了几乎同样多的物种。）
没有人真正知道是什么触发了生命的爆发，这在我们星球的历史上是独一无二的。但最近，研究发现了新的线索，说明地球的地质、化学和大气的变化如何影响寒武纪的爆发，以及生命多样性的快速增长如何反过来影响了地球。
寒武纪
在加拿大不列颠哥伦比亚的落基山脉发现了一个岩层，从中可以窥见寒武纪的生物大爆发。这个伯吉斯页岩保存了无数寒武纪生物化石。这些生物被困在泥泞的海洋沉积物中之后变成了化石，这些沉积物后来变成了石头。化石记录了这些生物的详细情况。不仅是骨骼和贝壳等坚硬的身体部位，还有肌肉、内脏和其他柔软部位。
- 上图：查尔斯·杜利特·沃尔科特（左）1909年在加拿大落基山脉发现了伯吉斯页岩。在这里，他和儿子西德尼（中）和女儿海伦（右）在岩石中寻找化石，大约在1913年。
一些伯吉斯页岩生物似乎有点熟悉。以欧巴宾海蝎为例，这个拇指大小的动物有五个蘑菇状的眼睛和一个象大象一样的微型鼻子，末端有一个抓爪。欧巴宾海蝎也有奇怪的伙伴，例如，与欧巴宾海蝎同时期一只小动物，几乎都是腿和尖刺——像一个行走的、装甲的蛞蝓。这太奇怪了，生物学家把它命名为"怪诞虫"——好像只有幻觉才能解释这种生物。
伯吉斯化石揭示了一个迷人的世界。然而寒武纪生命大爆发远不止是许多奇异的新动物。“关于寒武纪爆发的一件大事是第一个动物群落出现，”哈珀对《科学新闻》说，“在那之前，动物不是很多样化或常见。”
氧气上升
早些时候，在被称为前寒武纪的很长一段时间里，生活很简单。细菌占主导地位，静静地聚集成黏糊糊的垫子。然后，从35亿年前开始，其中一些细菌开始产生氧气，作为光合作用的副产品。在此之前，需要的氧气的复杂的动物很少或根本没有。
大约23亿年前，大气和海洋中的氧气含量突然上升，铁开始与氧气发生氧化反应，你可能认为它生锈了。伴随着空气中氧气含量的急剧上升而来的铁生锈，在岩层中被永久记录下来。其中包括一些被称为带状铁质地层。
在接下来的18亿年里，导致寒武纪大爆发的氧气水平究竟发生了什么还不清楚。科学家们想知道：在这段时间里，氧气水平是否逐渐上升？或者是氧气水平飙升，为生命大爆发提供了一个快速的触发器？
时间囊
想象一下，能够测试实际的前寒武纪海水的水滴，以了解在遥远的过去的某个特定时刻海洋所含的氧气量。娜塔莉·斯皮尔就是这么做的。去年，这位地质学家和她在州立大学宾夕法尼亚州立大学的团队在澳大利亚发现了古老的海水水滴，它们被困在8.3亿年前的盐晶体中。当盐水蒸发后，会留下这种叫做石盐的矿物。
“海水随着盐晶体的生长而被捕获，”斯皮尔解释说。她补充道，找到这些晶体是“非常了不起的”，“很难找到保存完好的老盐。”岩盐样本中的海水比任何分析过的都要古老近3亿年！
被困在晶体中的液体称为流体包裹体。“流体包裹体是很小的时间胶囊，”琳达·卡解释道，她是田纳西大学诺克斯维尔分校的地质学家，研究前寒武纪的岩石，以确定它们形成时存在的化学条件。
- 上图：石盐是海水蒸发时形成的一种矿物。研究人员在8.3亿年前的石盐晶体中发现了海水水滴，这使得他们能够估算前寒武纪海洋中的氧气含量。这样的测量让专家们看到氧气的稳定增加是如何为寒武纪的爆炸奠定了基础的。
海水蒸发时，氧气本身就消失了。所以斯皮尔分析了古代海水中的硫化物，它叫硫酸盐。通过测量硫酸盐，她的研究小组有了一种方法来估算古代海水曾经含有多少氧气。
听起来很奇怪，但它之所以起作用，是因为空气中的氧气会使陆地上含有铁和硫的岩石风化或侵蚀。“即使大气中仅有一点氧气，也能使岩石风化，”琳达·卡说。
然后雨水将腐蚀的岩石冲刷到海洋中。在海洋里，氧与硫反应形成硫酸盐。岩石中的氧气越多，最终进入海洋的硫酸盐就越多。
斯皮尔的研究小组发现，8.3亿年前的硫酸盐含量只有今天的10%。这一水平将与含氧量约为2%的大气相一致。相比之下，今天的氧气约占空气的21%。
对其他海水包裹体的科学研究提供了一些线索，表明在更接近寒武纪的时间点上硫酸盐和氧气的含量。他们显示，到大约5.4亿年前的前寒武纪末期，海洋硫酸盐水平已经上升到今天水平的50%到80%。宾州州立大学的斯皮尔说，氧气含量也会上升一个类似的数量。她的团队在2014年2月的《地质学》杂志上描述了他们的新发现。
- 上图：一位到加拿大伯吉斯页岩地层的游客举起了几具三叶虫化石。在寒武纪，当生物多样性激增时，海洋动物非常丰富。
最近的另一项研究也表明，低氧水平在延缓生命的巨大多样化方面发挥了作用。本研究通过分析古岩层中的微量金属来测量氧的上升。由康涅狄格州纽黑文耶鲁大学的诺亚·普兰纳夫斯基领导的一个国际研究小组，在2014年10月31日的《科学》杂志上发表了研究结果。
综合起来，这些研究提供了世界海洋在寒武纪大爆炸中增加了多少富氧的快照。
栖息地助手
几亿年来氧气水平的稳步上升，无疑为即将到来的动物生命大爆发奠定了基础。
然而，氧气并不是前寒武纪最后3亿年里唯一改变的东西。主要是冰河时代来了又走，伴随着寒冷的天气，这些冰河时代使海平面上下起伏。此外，地球上巨大的构造板块也在移动，它们改变了大陆的大小和位置，进而改变了海洋和大气的环流模式。地球上所有这些变化都会影响到地球上的生命。
唐·坎菲尔德说，寒武纪大爆发前出现的简单的生命形式也帮助奠定了基础。唐·坎菲尔德是丹麦南部奥登塞大学的地质学家，主要研究古代海洋的化学。
- 上图：这个来自犹他州的化石揭示了一种寒武纪蠕虫。这些蠕虫的穴居有助于将氧气混合到浅海底部的沉积物中。更多的氧气，反过来，使沉积物更适合其他生物居住。
他指出，海洋动物，例如蠕虫，早在寒武纪开始前1000万年就已经在海洋中钻洞了。他对《科学新闻》说，这种搅动可能改变了覆盖浅海底的沉积物的化学成分。最关键的是，蚯蚓的活动混合了更多的氧气，使沉积物更适合动物栖息。
一连串的事件
达勒姆大学古生物学家哈珀考虑了所有可能导致寒武纪生命大爆发的因素。他读到了其他人发现的东西——前寒武纪化石、对古代氧含量的新估计、大陆的变化和不断变化的气候。他还探测岩石和化石寻找线索。
去年，在英国牛津大学与M.保罗·史密斯合作时，哈珀得出了关于寒武纪爆发的结论：“这是一连串的事件，而不是一件事。”他补充道，“生命经历了一系列的变化。“哈珀和史密斯在2013年9月20日的《科学》杂志上发表了他们的评估。
哈珀称这些变化为“反馈循环”。他的意思是，随着一个条件的改变，另一个条件的响应也随之改变。这使得第一种情况发生了更多的变化。这一过程加快了适应和变化的速度。
哈珀说，捕食关系就是一个很好的例子。随着捕食者的进化，他们的猎物也必须进化，如果它希望避免被吃掉，猎物可能会长出更厚的壳或开始挖洞。“然后，”他说，“捕食者也会通过改变做出反应。”哈珀说，结果波及整个生态系统。例如，怪诞虫最有可能发展出这些讨厌的刺来阻止捕食者。
同时，地质变化也起到了一定的作用。随着冰融化，海平面上升。上升的海水淹没了海岸线。这反过来又为动物创造了更浅的水下栖息地，比如坎菲尔德描述的那些穴居蠕虫。更多的挖洞会把更多的氧气转移到沉积物中。更多的氧气反过来会刺激更多的挖洞。
海平面上升也侵蚀了更多的海岸线，哈珀说。这反过来又把更多的矿物冲进了海洋。其中的元素当然包括硫，也包括磷和钙。事实上，早寒武世海水中的钙含量增加了三倍。
哈珀解释说：”钙是形成贝壳类物质基础。“ 随着时间的推移，海洋中的动物长出了更厚、更华丽的贝壳。他说，这是一件“在寒武纪大爆发期间变得非常明显的事情”。
- 上图：伯吉斯页岩中发现了各种奇怪的动物，如长满脊椎的瓦克西娅波纹岩。捕食者与其猎物之间的关系可能有助于推动寒武纪许多新生物的进化，因为物种竞争特别残酷。
哈珀怀疑，这种“反馈循环”可能会导致动物多样性迅速增加。哈珀和史密斯的工作向我们展示了地球地质学和生物学有多么紧密的联系，只要其中一项有变化，其他就会跟着发生改变。