麻省理工学院 一根手指指向挪威斯瓦尔巴特奥陶纪地层中的一个小型三叶虫化石
信用:亚当·约斯特 一个星球的温度与其所能支持的生命多样性相关联
麻省理工学院的地质学家现在已经重建了5.1亿到4.4亿年前的早古生代地球温度的时间线——在以前微生物占主导地位的世界里，这是动物变得丰富的关键时期
在今天发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，研究人员绘制了早古生代全球温度的下降和峰值
他们报告说，这些温度变化与地球上不断变化的生命多样性相吻合:温暖的气候有利于微生物的生存，而较冷的温度允许更多种类的动物繁衍生息
这一新记录比这一时期以前的时间表更详细，它是基于该团队对碳酸盐泥浆的分析。碳酸盐泥浆是一种常见的石灰石，由沉积在海底、经过数亿年压实的富含碳酸盐的沉积物形成
麻省理工学院地球、大气和行星科学系(EAPS)的研究生、第一作者萨姆·戈德堡说:“既然我们已经展示了你可以用这些碳酸盐泥浆作为气候记录，这就打开了一扇大门，让你可以回顾地球历史上没有化石的另一个完整部分，那时人们并不真正了解气候。”
戈德堡的合著者是克里斯汀·博格曼
小里德·韦登
EAPS职业发展教授，加州理工学院的西奥多·普莱斯和加州大学伯克利分校的塞思·芬尼根
超越化石 为了估计数百万年前地球的温度，科学家们分析了化石，特别是从海水中沉淀出来的古代带壳生物的遗骸，这些生物要么在海底生长，要么沉入海底
当沉淀发生时，周围水的温度会改变贝壳的成分，改变氧的两种同位素的相对丰度:氧-16和氧-18
“举例来说，如果碳酸盐在4摄氏度时沉淀，与碳酸盐在30摄氏度时沉淀相比，更多的氧18会从相同的初始水成分中进入矿物中，”博格曼解释道
“所以，氧-18和-16的比例随着温度的降低而增加
" 通过这种方式，科学家们使用古老的碳酸盐外壳来追溯外壳首次沉淀时周围海水的温度——这是地球整体气候的一个指标
但是这种方法只让科学家走了这么远，直到最早的化石
“地球上大约有40亿年没有贝壳的历史，所以贝壳只给了我们最后一章，”戈德堡说
在这张摄于加拿大纽芬兰西部的照片中，你可以看到来自早奥陶世地层的微生物堆积
信用:克里斯汀博格曼 聚集的同位素信号 同样的贝壳沉淀反应也发生在碳酸盐泥浆中
但是地质学家认为碳酸盐泥浆中的同位素平衡更容易受到化学变化的影响
“人们经常忽略泥浆
他们认为，如果你试图用它作为温度指示器，你可能看到的不是它形成时的原始海洋温度，而是后来发生的一个过程的温度，当时泥浆被埋在地表以下一英里处，”戈德堡说
为了观察碳酸盐泥浆是否能保留其原始环境温度的特征，研究小组使用了“成团同位素地球化学”，这是博格曼实验室使用的一种技术，该技术分析沉积物中两种重同位素:氧-18和碳-13的成团或配对
碳酸盐泥浆中这些同位素配对的可能性取决于温度，但不受泥浆形成时海洋化学的影响
将这种分析与传统的氧同位素测量相结合，对样品从最初形成到现在所经历的条件提供了额外的限制
研究小组推断，这种分析可以很好地表明碳酸盐泥浆自形成以来，其成分是否保持不变
进一步来说，这可能意味着一些泥浆中的氧-18与氧-16的比率准确地代表了岩石形成时的原始温度，使它们能够用作气候记录
时好时坏；起伏波折 研究人员在从两个地点提取的碳酸盐泥浆样本上测试了他们的想法，一个地点在北冰洋的群岛斯瓦尔巴特群岛，另一个地点在纽芬兰西部
这两个遗址都以其暴露的岩石而闻名，这些岩石可以追溯到古生代早期
在2016年和2017年，研究小组首先前往斯瓦尔巴特群岛，然后是纽芬兰，从寒武纪中期动物开始在地球上繁衍，到古生代的奥陶纪，从7千万年的沉积沉积层中收集碳酸盐泥浆样本
当他们分析样本中聚集的同位素时，他们发现许多岩石自形成以来几乎没有发生化学变化
他们利用这一结果汇编了来自10个不同的早古生代地点的岩石氧同位素比率，以计算岩石形成的温度
从这些地点计算出来的温度与先前公布的低分辨率化石温度记录相似
最后，他们绘制了早古生代的温度时间表，并与那个时期的化石记录进行了比较，以表明温度对地球上生命的多样性有很大的影响
“我们发现，当寒武纪末和奥陶纪初气温较高时，微生物数量也达到了峰值，”戈德堡说
“从那里，它冷却到中奥陶世晚期，当我们看到丰富的动物化石，在一个实质性的冰河时代结束奥陶纪之前
以前，人们只能用化石来观察总体趋势
因为我们使用了非常丰富的材料，我们可以创建更高分辨率的记录，可以看到更清晰的起伏
" 该小组现在正在分析更古老的泥浆，追溯到动物出现之前，以测量5.4亿年前地球的温度变化
博格曼说:“要追溯到5.4亿年前，我们必须应对碳酸盐泥浆，因为它们是我们在遥远的过去必须限制气候的为数不多的记录之一。”
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