追踪生物扰动演化史：显生宙海洋沉积混合层与过渡层的深度演变及其生态-地球化学耦合效应

为解决生物扰动对海洋沉积记录和地球化学循环的长期影响机制问题，研究人员通过系统分析显生宙混合层（mixed layer）和过渡层（transition layer）的深度演变轨迹，揭示了两者的异步演化模式：过渡层在寒武纪已形成深部结构，而混合层直至中生代才显著加深。该研究为理解生物工程（ecosystem engineering）与地球系统协同演化提供了关键实证，成果发表于《Science Advances》。

　　

海洋沉积物的物理和化学性质深受底栖生物活动的塑造，这种被称为生物扰动（bioturbation）的过程通过混合沉积物（形成混合层，mixed layer）和构建深部潜穴网络（形成过渡层，transition layer）彻底改变了地球表层环境。然而，关于这两层结构如何随地质时间尺度演化的系统性认知长期匮乏，尤其缺乏对两者演化是否同步的实证。这一知识缺口阻碍了我们对生物工程效应与地球化学循环耦合关系的理解。

为填补这一空白，研究人员通过整合全球显生宙地层中的遗迹化石深度数据和沉积学指标，首次重建了混合层与过渡层的协同演化史。研究发现，尽管过渡层在寒武纪动物大规模殖民海底时已快速形成深部结构（深度常超1米），但混合层的显著加深却延迟至中生代，可能与中生代海洋革命（Mesozoic Marine Revolution, MMR）相关的生物辐射事件同步。这种异步演化揭示了早期生物扰动者的生态功能局限性——寒武纪生物虽能挖掘深穴，却缺乏高效沉积混合的"生物推土机"（bulldozer）行为。

研究关键技术包括：（1）系统收集365个遗迹化石（Arenicolites、Diplocraterion等6类垂直潜穴）的最大穿透深度数据，结合沉积压实校正；（2）量化分析混合层发育指标（如遗迹组构指数ii、事件层厚度）；（3）采用LOESS平滑和变点分析（changepoint analysis）识别关键演化节点。

结果部分：
前寒武纪-寒武纪转折期：埃迪卡拉纪末期仅见毫米级浅穴，而寒武纪第三阶已出现超12 cm的Skolithos潜穴，但混合层平均深度仅0.2-1.5 cm（ii多≤3），反映早期生物扰动以离散潜穴为主。

古生代模式：奥陶纪碳酸盐台地出现Thalassinoides网络（深度达28 cm），但中-晚古生代过渡层中值深度稳定在7-8.5 cm，75%分位数在晚古生代增至20 cm，提示深部生态位利用仍有限。

中生代转折：三叠纪-侏罗纪过渡层深度出现阶梯式增长（变点分析显示早-中侏罗世显著跃迁），中值深度增至17.6 cm，65.9%白垩纪样本达"深部"层级（>12 cm），与MMR辐射的Ophiomorpha等甲壳类潜穴相关。

新生代特征：古新世-始新世极热事件（PETM）和中新世气候适宜期（MCO）分别驱动Ophiomorpha深度跃升，现代过渡层中值深度达30 cm（82%样本>12 cm），反映甲壳动物辐射对生物扰动的持续强化。

环境分异：近岸环境在三叠纪最早出现过渡层加深，而深水环境延迟至白垩纪，符合经典的"近岸-离岸"（onshore-offshore）演化模式。混合层加深则更显著影响浅海，可能与氧气扩散限制有关。

大灭绝影响：二叠纪-三叠纪之交生物扰动深度骤减至<5 cm，恢复历时约5 Myr，反映环境压力对生物工程功能的长期抑制。其他大灭绝事件（如白垩纪-古近纪界线）也记录类似扰动衰退，但恢复更快。

结论与意义
该研究揭示了生物扰动两层结构的演化解耦现象：过渡层深度受控于生物挖掘能力的进化创新（如寒武纪垂直潜穴、中生代甲壳类辐射），而混合层深化需等待高效沉积混合策略（如生物推土）的生态普及，这一过程可能受控于中生代氧气和营养供给的提升。

其科学价值体现在三方面：（1）修正了传统观点——寒武纪生物虽能形成深部过渡层，但未能立即成为现代意义的"生态系统工程师"；（2）阐明生物扰动演化对地球化学循环的级联效应，如中生代过渡层加深可能通过生物灌溉（bioirrigation）促进有机碳再矿化；（3）为古环境重建提供新标尺，如薄事件层（<3 cm）的消失指示混合层深化。未来需加强中古生代和中-晚三叠世等数据空白期的研究，以更完整揭示生物扰动与地球系统的协同演化历程。论文发表于《Science Advances》。