為什麼好幾個前寒武紀生物群都跟磷礦有關？

01-12

磷礦是怎麼形成的？甕安、天帽山好幾處都產磷礦，有什麼內在關聯嗎？

謝邀~對於前面幾個答案，我們不妨考慮一下這個問題：出現磷礦一定是因為磷含量的增加嗎？

先不說答案~

先表一個地史上非常有趣的現象：條帶狀鐵建造（BIF）。二十多億年前，地球上普遍沉積了一套條帶狀的鐵礦，這套地層含鐵量十分巨大，許多著名鐵礦就得益於這套地層。那麼是什麼原因造成地層中出現這麼多鐵？是海水中鐵含量增加嗎？答案並不如此

（圖為BIF，紅色即為氧化鐵）

其實海洋誕生以來，許多鐵元素就以亞鐵離子的形式存在於海水中，眾所周知亞鐵離子極易氧化物沉澱。但是當時地球沒有多少氧氣，所以這些亞鐵離子就一直溶解在海水中。二十多億年前生物的光合作用出現後，隨著海水的充氧，亞鐵離子被快速氧化沉澱到海底，這一過程持續數千萬年，直到海水的溶解氧與亞鐵離子達成平衡，這一沉澱才結束。這一生物充氧過程形成的地層就是BIF，對應的事件叫大氧化事件（GOE）。

說到這裡估計前面的問題已經有答案了：新元古晚期磷的大量沉澱，不是由於磷的增加，而是由於海水中的溶解氧達到新高度，將遊離的磷沉澱下來了，這一事件被稱為新元古代氧化事件（NOE）。而氧含量所以達到新高度，正是由於生命世界的大爆發。因此新元古的磷礦是生物大發展所一手造就的，這些製造磷礦的生靈最終埋葬在其中，也是死得其所啦~

先說明：地質不太懂，我只是寫一個可能的生物成因。

這些磷礦有可能是細菌，主要是硫化細菌在無氧條件下釋放的大量磷酸鹽形成的。

硫是地球上所有生物都必須的元素，也是我們說的四大元素之一。在環境微生物方面，我們把一類能氧化硫化氫的微生物統稱為「硫化細菌」。這些硫化細菌不僅非常有用：把對生物有毒的硫化氫轉化為硫或是硫酸鹽，而且顏值也非常高，細胞裡面含有單質硫顆粒，在顯微鏡下閃閃發光，像小鑽石一樣，更奇特的是，這個「家族」盛產「大塊頭」：幾乎囊括了目前世界上發現的大細菌的前幾名。

普通的細菌，長度大概在0.2-2微米之間，但這些「大塊頭」，能達到900微米，接近1毫米了！普通人不用顯微鏡，直接肉眼就可以看見單個的細胞。比如我之前寫過的世界上最大的細菌，顏值爆表（長得像珍珠項鏈）的Thiomargarita的答案

https://www.zhihu.com/question/35454161/answer/71157948

這些巨大個兒的細菌除了含有硫顆粒，而且含有多聚磷酸鹽顆粒（polyphosphate，簡稱poly-P）。poly-P在細胞中的作用簡直五花八門，什麼都有它的參與。其中最為重要的，就是和ATP，ADP之間的互動轉化，提供給ADP一個磷酸基團，使其變成ATP，也就是直接參与生命體能量物質的轉化。下面這個圖C裡面的紫紅色顆粒就是磷酸鹽顆粒。

硫化細菌大部分是厭氧生物，只能在沒有氧氣或是氧氣濃度很低的環境中生存。在這種環境中，硫化氫含量高，沒有氧氣或是其他氧化劑來氧化硫化氫。以另一種貝氏硫化細菌為例，當在把硫化細菌在無氧硫化氫含量高的條件下培養的時候，細菌就會釋放出大量磷酸鹽，而在微氧，低硫化氫濃度的時候，這些細菌急劇的增加體內的磷酸鹽顆粒數量。像下圖所示

當然還有其他條件，也會刺激細菌對磷酸鹽的合成或是分解。

重要的是，大量硫化細菌聚集的層，正是沉積物中磷酸鹽含量最高的層

實驗室條件下的檢測也證明了，在無氧條件下，大細菌釋放出磷酸鹽也足夠導致形成礦物沉積。這些硫化細菌在食物鏈底端提供給其他生物必要的食物能量來源，有可能是其他生物聚集在一起的原因。也許這種生物成因的磷酸鹽沉降是大型生物群和磷礦有關的一個重要方面。

所以啊，不要總是覺得細菌都是小小的，看不見的，它們巨大的數量級（10^7+）讓人深深體會到「聚少成多」的力量。

主要是，這麼多的小東西，每天就做那麼幾件事情，比人類（比如我）專註多了……

磷礦主要分為「海相沉積、火成岩、鳥糞石」三種。

海相沉積佔世界磷礦的75％，震旦系的層疊石和寒武紀的小殼動物繁茂和藻類的爆發對磷礦石的行程有直接影響。磷的原始物源是含磷的陸碎屑和富含磷質的海洋生物，它們共同形成了海底淤泥，是凝膠狀磷礦沉澱的直接物源。

前寒武紀-寒武紀轉換時期的地層，有個很有意思的現象就是產出了很多磷酸鹽化的化石。比如說甕安的球狀胚胎化石，華南地區分布的寒武紀早期磷質小殼化石等，而且同一時期常常伴隨著比較顯著的成磷事件，所以這兩者間應當是具有一定聯繫的。

這裡引申出的一個重大推論就是海水成分的變化，海水中磷元素含量的上升可能對動物的骨骼化進程有一定影響，是生物演化歷史上一個重要的轉變，可能也是「寒武紀大爆發」事件出現的原因之一。現今生物骨骼主要為鈣質成分，然而會不會在一開始出現骨骼化現象的時候也有以磷元素作為主要成分的呢。。當然這只是一種可能而已，但也值得我們去深入思考了。

然後。。這一時期海洋中磷元素富集的原因比較複雜，但陸地岩石的風化作用和生物作用（比如藻類）應該佔據了主要地位；此外海洋內部的上升洋流也可能有重要影響。如果具體到甕安化石所在的陡山沱期成磷事件的話，其可能與新元古代羅迪尼亞超大陸的裂解有關（產生了大量玄武岩）。

最後提一下化石記錄的問題，骨骼化（或者說生物礦化）的生物遺體才容易保存下來被我們發現。所以「生物群」並不是說同一時期只有此地才有大量生物，只是它們碰巧被保存下來了而已。此過程中磷元素的富集可能也起到了一定作用。

去年開始一直在做埃迪卡拉紀的古海洋學方面的研究，個人認為這跟當時海洋富磷和磷沉積的條件有密切關係。

需要形成磷礦的首要條件是磷的來源，海水中得有比較高的磷濃度才會在有合適的條件下形成磷礦石。Planavsky做的模型認為新元古代的海洋中磷含量是現代海洋的5倍以上。那麼海洋中哪來這麼多溶解磷呢？事實上在雪球事件之前，地球上海洋幾乎是缺氧的（即使是雪球事件結束後的很長一段時間，深海也仍然是缺氧的）。在缺氧的條件下，海水溶解的磷幾乎不能形成磷酸鹽沉積（這個後面詳細講）。因此之前漫長的時代輸入海洋的磷幾乎都積累在海水中，而雪球地球期間廣泛的冰川活動又把大量含磷的陸源碎屑物質帶進了海洋，使海水中磷含量又暴漲一波（下圖）。

如 @豹子的trilobite 提到的，另一個促使溶解磷最終沉澱的因素就是氧氣。磷只有在氧化條件下才能被困在沉積物中，形成自生磷酸鹽沉積。這裡就涉及到海洋化學中重要的鐵-錳氫氧化物循環（Fe-Mn oxyhrdroxide shuttle）。磷基本上是吸附在鐵錳氫氧化物上抱著大腿進入沉積物的（此處循環播放老司機帶帶我），一旦底層水體缺氧，鐵錳氫氧化物被還原溶解，失去了老司機帶領的磷也就沒法進入沉積物了。。。

正是由於雪球事件結束後生物活動的增加，才導致了大量磷礦沉積在生物活動頻繁的地區。在當時極低的大氣氧含量條件下（&<2.5%現代大氣氧含量），氧氣的分布與海洋生產率密切相關。換句話說，只有在高生產率的區域才有富氧的海水。前寒武紀海洋中有豐富的磷，生物活動產生的氧氣又是磷沉積的重要條件，這也是為什麼當時的生物化石都埋在磷礦石里的原因了~~

以下引用表示我並不是在胡亂吹逼&>3&<：

Planavsky N J, Rouxel O J, Bekker A, et al. The evolution of the marine phosphate reservoir[J]. Nature, 2010, 467(7319): 1088-1090.

Algeo T J, Ingall E. Sedimentary C org: P ratios, paleocean ventilation, and Phanerozoic atmospheric pO 2[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2007, 256(3): 130-155.

Li C, Love G D, Lyons T W, et al. A stratified redox model for the Ediacaran ocean[J]. Science, 2010, 328(5974): 80-83.

Reinhard C T, Planavsky N J, Olson S L, et al. Earth』s oxygen cycle and the evolution of animal life[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016: 201521544.

磷是構成生命的重要元素，所以一般情況下只有有大量生命遺骸的地方才會富集磷元素形成磷礦。所以這也是個」為啥隕石總掉到坑裡「類型的問題「