数亿年前，在最终成为加拿大育空地区的中部，一片海洋中遍布着装甲三叶虫、蛤状腕足类动物以及类似于蛞蝓和鱿鱼的柔软、黏糊糊的生物。
一个国际科学家团队在北极波弗特海以南数百英里的皮尔河岸边发现了在那个古老的海底形成的大量化石和岩层。这一发现揭示了古生代早期近 1.2 亿年海底氧气的变化，这一时期促进了地球历史上复杂的多细胞生命的最快速发展和多样化。
“在一个地方拥有如此多的地球历史是闻所未闻的，”斯坦福大学地质科学家埃里克·斯珀林 (Erik Sperling) 说，他是 7 月 7 日一项研究的主要作者，详细介绍了该团队在《科学进展》中的发现。古生代的大多数岩层已被构造力破坏或随着时间的推移被侵蚀。“据我所知，世界上没有其他地方可以研究这么长的地球历史记录，那里的水深或盆地类型等基本没有变化。”
在大约 5.41 亿年前的古生代初期，这个海洋和其他海洋的深水中的氧气是稀缺的。在大约 4.05 亿年前的泥盆纪之前，它一直处于稀缺状态，当时，在地质瞬息之间——不超过几百万年——氧气可能飙升至接近现代海洋的水平，地球上的生命多样性爆炸了。出现了大型掠食性鱼类。原始蕨类植物和针叶树跨越了以前由细菌和藻类统治的大陆。蜻蜓起飞了。所有这一切都发生在近 40 亿年的地球景观几乎荒芜之后。
长期以来，科学家们一直在争论什么可能导致从低氧世界急剧转变为一个可以支持多样化动物生命网络的含氧量更高的世界。但直到现在，在见证了所谓的寒武纪生命大爆发和地球第一次大爆发的时代，很难确定全球氧化的时间或世界海洋和大气的长期背景状态。大五”大灭绝，大约发生在 4.45 亿年前的奥陶纪末期。
斯坦福大学地球、能源与环境科学学院 (Stanford Earth) 地质科学助理教授 Sperling 说：“为了在我们历史的这些巨大区域中进行比较并了解长期趋势，你需要一个连续的记录。” .
前世的语境
在育空地区 Na Cho Nyak Dun 和 Tetlit Gwitch'in 社区的许可下，包括达特茅斯学院和育空地区地质调查局的研究人员在内的 Sperling 团队在皮尔河遗址度过了三个夏天。乘坐直升机抵达后，研究小组在 VI 级急流旁用砍刀砍伐灌木，从超过一英里的页岩、燧石和石灰泥岩的互层中收集了数百个拳头大小的岩石样本。
回到斯坦福大学斯珀林的实验室，一小群暑期本科生和研究生工作了五个夏天，以帮助分析埋在岩石中的化石和化学物质。“我们花了很多时间劈开岩石并观察笔石化石，”斯珀林说。由于笔石相对较快地进化出大量可识别的身体形状，这些栖息在殖民地的海洋生物的化石留下的铅笔状标记为地质学家提供了一种方法来确定它们被发现的岩石的年代。
研究人员完成笔石化石的鉴定和年代测定后，他们在磨机中研磨岩石，然后测量所得粉末中的铁、碳、磷和其他元素，以评估这些层形成的时间和地点的海洋状况。他们分析了来自皮尔河站点的 837 个新样本，以及来自加拿大其他地区的 106 个新样本和来自世界各地的 178 个样本进行比较。
赢家和输家
数据显示，低氧水平或缺氧在世界海洋中的持续时间可能比以前认为的长数百万年——一直到显生宙，当时陆地植物和早期动物开始多样化。“早期的动物仍然生活在低氧世界中，”斯珀林说。与长期以来的假设相反，科学家们发现古生代海洋也出人意料地没有硫化氢，硫化氢是一种常见于现代海洋缺氧地区的呼吸毒素。
当氧气最终在海洋环境中上升时，它的出现恰逢更大、更复杂的植物生命起飞。“关于植物如何影响地球系统存在大量争论，”斯珀林说。“我们的结果与一个假设一致，即随着植物进化并覆盖地球，它们增加了海洋的养分，推动了氧化作用。”在这个假设中，营养物质流入海洋会促进初级生产力，这是衡量植物和藻类吸收二氧化碳和阳光、将它们转化为新生物量并在此过程中释放氧气的速度的指标。
这种变化可能杀死了笔石。“虽然更多的氧气对很多生物来说确实有好处，但笔石失去了作为它们避难所的低氧栖息地，”斯珀林说。“任何环境变化都会有赢家和输家。笔石可能是输家。”
