地球上最嚴(yán)重的生命大滅絕

晨飛

地球已知的大規(guī)模物種滅絕事件發(fā)生過五次。每一次都有大約75%的主要物種在短期內(nèi)消失，典型時(shí)間為200萬年甚至更少。大約2.52億年之前，地球發(fā)生了第二次生命大滅絕，這次，地球上的生命幾近消亡。在地質(zhì)年代中的一瞬間，地球上至少70%的陸地物種和96%的海洋物種一起消失了。這次事件有時(shí)被稱為“大滅絕”。這是地球歷史上最大規(guī)模的物種滅絕事件，它的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了大約1.86億年之后導(dǎo)致恐龍滅絕的那次大滅絕。恐龍滅絕事件只摧毀了地球上50%的物種。

這次大滅絕的細(xì)節(jié)被寫進(jìn)了石頭里，這么講非常貼切。這段時(shí)間形成的化石逐漸為我們揭開了該事件的細(xì)節(jié)。很多生物體突然從化石記錄中消失了。例如海洋節(jié)肢動(dòng)物三葉蟲在二疊紀(jì)的巖石中非常常見，到了三疊紀(jì)巖石形成的時(shí)候，這種生物存在的所有標(biāo)志都消失了。

是什么造成了這次大滅絕，長(zhǎng)期以來一直是一個(gè)謎。許多科學(xué)家猜測(cè)，大規(guī)模火山噴發(fā)跟它有些關(guān)系。位于今日俄羅斯西伯利亞的大火山持續(xù)噴發(fā)了幾萬年，但是幾乎沒有能把這次火山噴發(fā)和物種滅絕聯(lián)系起來的真憑實(shí)據(jù)。

最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這次火山噴發(fā)在陸地和海洋都造成了致命的狀況。對(duì)這些細(xì)節(jié)的最新分析可以為我們提供解讀當(dāng)今地球變化的重要經(jīng)驗(yàn)。

生命進(jìn)程被打斷

在二疊紀(jì)，地球上所有的陸地都匯聚在一起，是一片超級(jí)大陸，被稱為“泛大陸”。此時(shí)的地球擁有一片主要的洋和一片較小的海。泛大陸龐大的面積使得地球的大多數(shù)地方溫暖干燥。

二疊紀(jì)世界充滿生命。在陸地上，昆蟲嗡鳴爬行，包括原始的蜻蜓和蟑螂。大型的食草爬行動(dòng)物和兩棲動(dòng)物在森林里覓食。海洋由魚類統(tǒng)治。珊瑚礁繁榮生長(zhǎng)。三葉蟲在海底急促爬行。

然后，在這段繁茂時(shí)代的末期，火山開始噴發(fā)、噴發(fā)，不停噴發(fā)，在6萬年間噴出看起來無窮無盡的巖漿瀑布。這次噴發(fā)在地球歷史上規(guī)模最大，傾倒出了足夠?qū)⒄麄€(gè)美國大陸覆蓋將近1.6千米厚的巖漿！

超大規(guī)模的火山噴發(fā)會(huì)對(duì)生命造成多種干擾。首先，噴發(fā)會(huì)向大氣層注入大片灰燼，這些灰燼會(huì)將陽光遮蔽。噴發(fā)同樣可能將海洋和大氣加熱，這會(huì)造成整個(gè)星球的地表溫度升高，隨之改變天氣模式。噴發(fā)泵出多種氣體，尤其是二氧化碳。作為一種溫室氣體，二氧化碳使地球上的熱量無法逃逸至太空。這也進(jìn)一步造成了氣候變暖。海洋同樣會(huì)吸收大量碳，使海水更加酸化。

西伯利亞火山大爆發(fā)和二疊紀(jì)—三疊紀(jì)大規(guī)模滅絕事件在時(shí)間上正好重疊。這是巧合嗎？或者不是巧合？其中含有一個(gè)大而揮之不去的問題。

為了查明西伯利亞火山噴發(fā)是否造成了大滅絕，需要非常精確地得知每個(gè)事件是何時(shí)發(fā)生的。地球年代學(xué)家賽斯·博格斯知道，如果火山噴發(fā)剛好發(fā)生在大滅絕之后，就不會(huì)是導(dǎo)致大滅絕的原因。

地球年代學(xué)家專門研究確定巖石的年齡。作為麻省理工學(xué)院（MIT）的一名博士研究生，博格斯帶領(lǐng)一個(gè)團(tuán)隊(duì)分析來自中國的巖石樣本。這些巖石在二疊紀(jì)末期形成。他們希望古老的巖石能夠告訴他們關(guān)于西伯利亞火山噴發(fā)時(shí)間的信息。

這些巖石是一種沉積巖，是按時(shí)間順序形成的，最年輕的巖層在最上面。在最下面的石灰?guī)r層中，科學(xué)家找到了在二疊紀(jì)生活的動(dòng)物化石，但這些化石在更年輕的二疊紀(jì)巖層中缺失了。所以大滅絕一定是發(fā)生在這期間的某個(gè)時(shí)間。

通過查看石灰?guī)r的兩個(gè)組分——碳和鋯石，博格斯和他的團(tuán)隊(duì)提出了西伯利亞火山噴發(fā)的時(shí)間線。他們發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物化石在一個(gè)6萬年的區(qū)間里消失了。不過，在最后1萬年中，來自火山的碳的含量突然出現(xiàn)了波動(dòng)。

博格斯總結(jié)說：“看上去一切一如往常，直到突然間一切都改變了。”

海洋酸化

但這些碳如何改變了世界？一組科學(xué)家對(duì)那6萬年間海水pH 值的變化感到好奇。他們尤其想要知道，在最后1萬年間海水pH值是不是發(fā)生了什么異常變化，這種變化與博格斯和他的團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)有沒有關(guān)系。

為了解開這個(gè)謎團(tuán)，馬修·克拉克森帶領(lǐng)一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)到阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國旅行。克拉克森是一名地球化學(xué)家，在2014年指導(dǎo)這項(xiàng)工作的時(shí)候，他供職于蘇格蘭愛丁堡大學(xué)。他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了曾經(jīng)位于二疊紀(jì)海洋底部的石灰?guī)r巖石。這些巖石提供了當(dāng)時(shí)海洋條件的記錄。

為了研究海水pH值是如何變化的，研究團(tuán)隊(duì)跟蹤記錄了巖石中兩種形態(tài)的硼的含量的差異，這些硼是來自二疊紀(jì)海水的化學(xué)元素。

“硼在海水中有兩種不同的形態(tài)，硼酸和硼酸鹽。”克拉克森解釋道，“它們?cè)诤Ｑ笾械暮勘戎等Q于海水的pH值。”通過確定硼酸和硼酸鹽的比例，或者說相對(duì)含量，研究者可以推算出巖石形成時(shí)海水的pH 值。

克拉克森的團(tuán)隊(duì)繪制了石灰?guī)r層中兩種硼含量比例的曲線圖。他們發(fā)現(xiàn)pH 值具有一個(gè)變化模式。就在二疊紀(jì)—三疊紀(jì)交界時(shí)期，pH值有一個(gè)迅速的、戲劇性的變化，這表明海水的酸性增加了。

“我們看到了硼的變化，”克拉克森說，“這種變化對(duì)應(yīng)大約0.6個(gè)pH值單位。”他的團(tuán)隊(duì)把這些數(shù)據(jù)與博格斯從同一時(shí)期中國巖石樣本中得出的精確碳年代進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)海洋向酸性更強(qiáng)的方向偏移的過程，與火山噴發(fā)造成碳含量變化發(fā)生在同一時(shí)期。

關(guān)鍵一擊

但故事到此并沒有結(jié)束。西伯利亞火山噴發(fā)的前5萬年里應(yīng)該已經(jīng)釋放了足夠的二氧化碳，使地球表面升溫。許多陸地動(dòng)物或許不能輕易適應(yīng)這種演化的環(huán)境。另外，物種滅絕會(huì)給生態(tài)系統(tǒng)帶來廣泛的壓力，這5萬年間火山噴發(fā)帶來的氧氣減少或許削弱了許多物種的生存能力。

在他和博格斯的數(shù)據(jù)中，火山噴發(fā)的第二個(gè)階段——也是毀滅性的階段——發(fā)生在最后1萬年。噴發(fā)的最后階段產(chǎn)生了比正常情況更多的二氧化碳。

“某些東西使二氧化碳增加了。”博格斯說，“一種可能是，西伯利亞火山開始噴發(fā)穿過一層石灰?guī)r的巖漿。噴發(fā)的溫度可能非常高，足夠熔化石灰?guī)r。這會(huì)釋放巖石中包含的碳，增加了噴發(fā)的氣體含量。”

二氧化碳的額外增加看起來給了海洋生物致命一擊。這些二氧化碳很多都溶解在了海水里。這會(huì)造成海水pH值急劇降低。酸性更強(qiáng)的海水會(huì)溶解構(gòu)成貝類殼體的鈣質(zhì)礦物，同時(shí)會(huì)使這些生物分泌鈣質(zhì)生成新的貝殼變得更加困難。

“一些依賴鈣化過程生成殼體的生物受到的危害尤其嚴(yán)重。”克拉克森說。化石證據(jù)表明，滅絕數(shù)量最多的生物是那些最依賴鈣質(zhì)殼體的。在那最后的1萬年之中，許多在火山噴發(fā)第一期存活下來的物種終于支撐不下去了。

“硼數(shù)據(jù)提供了至今為止最直接的有關(guān)海水pH值在二疊紀(jì)—三疊紀(jì)交界區(qū)間內(nèi)如何變化的圖景。”喬納森·派恩注解道。他是斯坦福大學(xué)的一名地質(zhì)學(xué)家。他沒有參與這項(xiàng)研究。

還有一項(xiàng)間接證據(jù)與陸地上的物種滅絕相關(guān)：造成海洋酸化的二氧化碳增加或許同樣引發(fā)了主要的陸地生態(tài)破壞。全球變暖以及降雨量的變化很可能消滅了許多殘留在陸地上的生物。

災(zāi)難重演？

在“大滅絕”之后，地球恢復(fù)了生機(jī)。畢竟，還是有一些幸存者的。它們成了許多新植物和動(dòng)物的祖先，包括恐龍。“大滅絕”為一些特別成功的后來者掃清了障礙，其中就包括人類。但是想要保持人類這個(gè)物種的成功，我們應(yīng)該從這個(gè)遠(yuǎn)古的時(shí)代吸取教訓(xùn)。氣候變化和海洋酸化聽起來是不是特別耳熟？它們?nèi)缃裨僖淮伟l(fā)生了。

就像二疊紀(jì)—三疊紀(jì)滅絕時(shí)那樣，今天的變化是由大氣層中額外的二氧化碳造成的。只不過，這一次，大部分的二氧化碳不是來自西伯利亞火山，而是來自人類對(duì)富含碳的化石燃料的燃燒。

克拉克森說，在19世紀(jì)早期，地球海洋的pH值是8.2。從那時(shí)起，人類活動(dòng)將很多二氧化碳排放到大氣層中。現(xiàn)在，海洋的pH值已經(jīng)降到了8.1。“預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末，pH值會(huì)再下降0.3到0.4個(gè)單位。也就是說在區(qū)區(qū)300年間，海洋的pH值會(huì)下降0.4到0.5個(gè)單位。”他說。這對(duì)依靠制造殼體而生存的生命以及以它們?yōu)槭车牟妒痴邅碚f，足以造成嚴(yán)重?fù)p害。

以這一速率，到2400年，海洋或許會(huì)酸化到與“大滅絕”時(shí)期相同的程度，那是一個(gè)幾乎所有生存在地球上的物種都滅絕了的時(shí)期。

關(guān)鍵詞

酸性物質(zhì)：含酸材料，這些材料通常具有腐蝕礦物質(zhì)或阻礙礦物質(zhì)形成的特性，例如碳酸鹽。

酸化：使溶液pH值降低的過程。當(dāng)二氧化碳在水中溶解時(shí)，會(huì)引起生成碳酸的反應(yīng)。

兩棲動(dòng)物：包括青蛙、蠑螈和蚓螈在內(nèi)的一類動(dòng)物。兩棲動(dòng)物具有脊椎，可以通過皮膚呼吸。與爬行動(dòng)物、鳥類和哺乳動(dòng)物不同，未出生或者未孵化的兩棲動(dòng)物不發(fā)育專門具有保護(hù)性的羊膜囊。

泥盆紀(jì)：橫跨距今4.16億年至3.6億年的一段地質(zhì)時(shí)期。此時(shí)，地球大陸塊匯集成了兩塊超級(jí)大陸：岡瓦納大陸和歐美大陸。這一時(shí)期出現(xiàn)了最早的植物，沒有葉也沒有根。在這一時(shí)代末期，演化出了蕨類和種子植物。一些甲殼類動(dòng)物和三葉蟲與多種魚類一起棲息在海洋中。陸地由多種無翼的節(jié)肢動(dòng)物（蜘蛛和昆蟲的祖先）占據(jù)。

恐龍：字面意思是“可怕的蜥蜴”。這些遠(yuǎn)古爬行動(dòng)物生活在距今2.5億年至大約6500萬年間。恐龍全部由叫作祖龍的產(chǎn)卵爬行類演化而來，這些祖龍的后代最終分成兩個(gè)譜系，可通過臀部盆骨形狀進(jìn)行區(qū)分。臀部盆骨像蜥蜴的成為蜥臀目，例如兩足獸腳亞目的霸王龍和笨重的四足迷惑龍屬（曾被稱為雷龍）。另一個(gè)譜系被稱為鳥臀目，或鳥臀目恐龍，通向一類差異廣泛的動(dòng)物，包括劍龍和鴨嘴龍。

演化：持續(xù)多個(gè)世代，或者在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)的變化。在生物體中，演化通常包括基因的隨機(jī)改變，這些改變將會(huì)傳遞到個(gè)體的后代中，可以促使新性狀的產(chǎn)生，例如毛色變化、對(duì)疾病的敏感性或耐受性變化，或者不同的性狀特征（例如腿型、觸須、腳趾或者內(nèi)部器官）。非生命體如果隨著時(shí)間產(chǎn)生變化也可以被描述為發(fā)生了演化。例如，計(jì)算機(jī)的微型化有時(shí)候被描述為這些設(shè)備朝著更小、更復(fù)雜的方向演化。

化石燃料：地球內(nèi)部腐爛的細(xì)菌、植物或者動(dòng)物殘?bào)w通過上百萬年形成的燃料，例如煤炭、石油（原油）或者天然氣。

地質(zhì)年代學(xué)：研究巖石年齡的科學(xué)。地質(zhì)年代學(xué)家通常使用元素已知的放射性衰變速率來確定巖石的年齡。

二疊紀(jì)：距今3億年至2.5億年的一段地質(zhì)時(shí)期，陸地上許多爬行動(dòng)物達(dá)到鼎盛，但尚未出現(xiàn)恐龍，海洋由許多大型無脊椎動(dòng)物統(tǒng)治，但是大多數(shù)都在二疊紀(jì)末期向三疊紀(jì)過渡時(shí)滅絕了。

三疊紀(jì)：距今2.5億年至2億年的地質(zhì)時(shí)期，這一時(shí)期最著名的是恐龍第一次出現(xiàn)。