地球晚古生代大冰期的幕后推手

黃增強

最近，一項由中、英、德、美等國家古生物學家共同發布的最新研究成果表明，地球晚古生代發生的大冰期，是種子植物大規模繁盛導致的。此項研究成果發布后，即刻引起了古生物愛好者們的極大興趣和廣泛關注。

我們知道，地球是人類生命的發源地，也是人類賴以生存和發展的行星。地球從無生命到最后創造了人類，并發展到今天的文明社會，經過了40多億年的漫長歲月。這段漫長的歲月可劃分為太古代、遠古代、古生代、中生代和新生代五個“代”。

太古代，約開始于46億年前，結束于24億年前。這時，地球剛形成，沒有陸地，一片汪洋。遠古代，距今24億年至6億年前，此時的地球雖然被海洋掩蓋著，但出現了海生藻類和海洋無脊椎動物。古生代，距今6億年至2.5億年，是亞歐大陸的七大板塊基本形成的時期。這時，海洋中出現了幾千種動物，海洋無脊椎動物空前繁盛。兩棲類也出現了，北半球陸地上出現了蕨類植物，有的高達30多米，這些高大茂密的森林，后來變成了大片的煤田。中生代，距今2.5億年至0.7億年。這一時期是爬行動物的時代，恐龍稱霸一時，也出現了原始的哺乳動物和鳥類，蕨類植物日趨衰落，被裸子植物所取代。新生代時期，是地球歷史上最新的一個地質時代，時間最短，距今只有7000萬年左右，這個時期以哺乳動物和被子植物的高度繁盛為特征。新生代被子植物大發展，各種食草、食肉的哺乳動物空前繁盛。自然界生物的大發展，最終導致人類的出現，古猿逐漸演化成現代人。

在地球的40多億年的歷史中，由于氣候變化無常，暖和冷總是交替出現，地球曾多次發生過寒冷的冰期。所謂冰期，是指具有強烈冰川作用的地史時期。廣義的冰期又稱大冰期，是指地球上氣候寒冷，極地冰蓋增厚、廣布，中、低緯度地區有時也有強烈冰川作用的地質時期。大冰期中，氣候較寒冷的時期稱冰期，較溫暖的時期稱間冰期。大冰期、冰期和間冰期都是依據氣候劃分的地質時間單位。

在地球的歷史上，一共發生過三次大冰期，分別是距今6億年前的震旦紀大冰期、距今2.5億年前的石炭二疊紀大冰期和距今200萬年前開始的第四紀大冰期。三次大冰期中，晚古生代大冰期發生了顯生宙以來持續時間最長、規模最大的成冰事件。究竟是什么原因導致了這一時期全球古海洋、古氣候、古生態發生顯著變化呢？現代科學研究發現，從大約3.5億年至2.7億年前的這段時期，地球經歷了一場可怕的從溫室到“大冰窖”的演變，時間達到了8000萬年之久。當時，整個地球都被牢牢凍住了，即使是在赤道地區，也有屬于這個時期的冰川作用遺跡。研究者將這段時期，稱作晚古生代大冰期。

關于晚古生代大冰期的成因，一直都沒有答案。雖然有人認為，維管植物，特別是種子植物的登陸和大規模繁盛是觸發全球變冷與晚古生代冰期成冰事件的重要原因，但長期缺乏證據揭示它們之間的直接因果聯系。

近日，來自中國、美國、德國等多個國家的地學科學家們聯合進行了研究，結果發現，造成晚古生代大冰期的原因，竟然與種子植物有關。那么，什么是種子植物？其特征是什么？種子植物又叫顯花植物，它分布于世界各地，是植物界最高等的類群，其特征是所有的種子植物體內有維管組織——韌皮部和木質部、能產生種子并用種子繁殖。

除此之外，我國中科院南京地質古生物研究所副研究員陳波帶領陳吉濤、郄文昆、黃璞等研究員，對華南和越南等地5條早石炭亞紀剖面開展詳細的碳、鍶、氧同位素分析，也系統地梳理了晚泥盆世—早石炭亞紀早期全球種子植物屬一級多樣性和其地理分布變化。石炭紀杜內期的古海洋環境變化和其與種子植物的演化關系研究表明，種子植物大規模繁盛是導致地球晚古生代大冰期形成的直接原因。

中科院南京地質古生物研究所科研團隊還發現，海水的鍶同位素比值在杜內期中期開始下降，并伴隨著碳酸鹽碳同位素值和牙形刺氧同位素值的增加，這三個同位素體系的耦合變化正對應種子植物早期演化階段中最重要的一次輻射事件。此次事件中，種子植物以多樣性的快速增加和分布范圍的顯著擴張為特征。由于種子植物在這一時期加速擴張，使得磷等陸源營養物質輸入海洋，促進了全球海洋生產力提升和有機碳埋藏。而硅酸鹽風化和有機碳的埋藏會大量消耗大氣中的二氧化碳，最終導致氣候變冷。

中科院南京地質古生物研究所科研團隊還原出的大冰期發生經過，顯示大冰期發生前，種子植物的生長范圍從中低緯度地區迅速擴展至高緯度地區。植物的大量生長和擴張，從兩個方面影響了大氣中的二氧化碳含量。一方面，植物繁盛加速了巖石風化，風化使得硅酸鹽和二氧化碳發生反應，形成碳酸鹽沉積在海底;另一方面，植物的光合作用會固定二氧化碳，形成有機質埋藏下來。這兩種過程都會大量消耗空氣中的二氧化碳，最終導致氣候變冷。

原來，種子植物大規模繁盛才是導致大冰期的幕后推手。這一發現為應對當前和未來的氣候變化提供了重要參考，也對進一步理解陸地生態系統的興起，及其在塑造全球氣候中所扮演的角色具有重要意義。