火山噴發(fā)導致奧陶紀末生物大滅絕？

陸成寬

長久以來，奧陶紀末生物大滅絕事件的原因一直是個謎，科學家曾提出冰川事件、火山爆發(fā)以及伽馬射線暴等多種解釋，但學界一直沒有對其具體的驅(qū)動機制形成統(tǒng)一認識。

近日，《自然·通訊》報道了一項關(guān)于奧陶紀末生物大滅絕的研究成果，中國科學技術(shù)大學沈延安研究團隊發(fā)現(xiàn)，在奧陶紀末生物滅絕事件的過程中，硫同位素產(chǎn)生了非質(zhì)量分餾，提出“平流層火山噴發(fā)”是奧陶紀末生物滅絕事件的驅(qū)動機制。

氣候變冷和氣候變暖“雙重打擊”

奧陶紀是古生代的第二個紀，氣候溫和，淺海分布廣泛，現(xiàn)今1/3的陸地當時被淺海覆蓋，海平面比現(xiàn)在高出400米，是地球歷史上海侵最嚴重的時期。這一時期，海生生物空前發(fā)展，腕足動物、三葉蟲、珊瑚、筆石等迅速演化，科學界稱之為“奧陶紀生物大輻射事件”，原始的脊椎動物開始出現(xiàn)，陸地上除了很低等的植物，沒有任何動物生存。

發(fā)生在大約4.4億年前的奧陶紀末生物大滅絕，是地球自寒武紀生物大爆發(fā)以來最古老的生物滅絕事件。當時的海洋生物遭遇了滅頂之災，珊瑚、腕足動物、三葉蟲等生物門類的多個類群幾乎“全軍覆滅”。這次大滅絕重創(chuàng)了海洋生態(tài)系統(tǒng)，導致當時85% 的海洋生物物種滅絕。科學界普遍認為，導致這場災難的罪魁禍首就是奧陶紀末的冰川事件。

關(guān)于奧陶紀末生物大滅絕，以前主導的觀點是將兩幕式生物滅絕與當時冰期的開始和消融聯(lián)系起來。長期以來，這次大滅絕事件的基本過程被描述為兩幕式：第一幕起因于凱迪—赫南特期之交岡瓦納冰蓋的形成，造成新的涼水海洋生物全球廣泛分布;第二幕則由于赫南特晚期冰川消融，導致早前的涼水動物整體消亡。

“具體來說，就是冰期開始的時候，全球海平面下降，氣候變冷，這一全球氣候的突然變化直接導致海洋動物生存空間縮小，其結(jié)果是部分動物往海洋深部遷移并適應(yīng)深部生存環(huán)境，但相當一部分動物因為對深部海洋生存環(huán)境的適應(yīng)性較差而消亡。在持續(xù)大約100萬年之后，冰川開始消融，全球海平面迅速升高，氣候變暖，從而導致海洋缺氧。海洋內(nèi)氧氣的缺乏直接對奧陶紀末生命造成毀滅性的打擊。”沈延安說。

真核藻類大爆發(fā)讓二氧化碳濃度急降

雖然長期以來，赫南特冰期及其引發(fā)的氣候、海洋環(huán)境變化導致生物大滅絕是國際上較為主流的觀點，然而這次劇烈、短暫的冰期為何能在二氧化碳濃度異常高的背景下發(fā)生仍是個謎。

2018年，美國哈佛大學地球與行星科學系安·皮爾遜課題組與中國科學技術(shù)大學沈延安研究團隊合作在《自然·地球科學》上發(fā)表論文稱，研究發(fā)現(xiàn)，海洋真核藻類的大爆發(fā)，或觸發(fā)赫南特冰期，并間接導致奧陶紀末期生物的集體滅絕。

研究人員以美國內(nèi)華達州維尼溪奧陶—志留紀典型剖面為研究對象。沈延安團隊首先對該剖面進行了詳細的野外考察并進行了高密度的樣品采集工作，在此基礎(chǔ)上，中美合作團隊開展了氮同位素的研究工作。研究結(jié)果顯示，在奧陶紀末期，由于陸地大量維管植物首次出現(xiàn)與擴張，增強了大陸風化作用，導致海洋中生物可利用的限制性營養(yǎng)元素十分充裕。這為加速浮游植物的生長、繁殖提供了有利的條件。

氮同位素的研究結(jié)果證明了在赫南特冰期之前，真核藻類迅速擴張，大量有機碳迅速被埋藏在海洋中，致使大氣中二氧化碳濃度短時間內(nèi)急劇下降，這是此次赫南特冰期和生物大滅絕事件的重要驅(qū)動因素。

此外，還有研究人員認為，伽馬射線暴導致了這次生物大滅絕。伽馬射線暴是宇宙中一種伽馬射線強度在短時間內(nèi)突然增強，隨后又迅速減弱的現(xiàn)象。伽馬射線暴的時間不長，通常只有幾十秒，能量主要來自伽馬射線。伽馬射線是波長小于0.1納米的電磁波，是一種比X射線能量還高的輻射。物理學家通過計算發(fā)現(xiàn)，強大的伽馬射線暴能夠殺死一定范圍內(nèi)的宇宙生命。

火山噴發(fā)觸發(fā)全球氣候劇變

“但是，近年來，科學家通過全球范圍內(nèi)詳細的野外考察和研究發(fā)現(xiàn)，奧陶紀末冰川期的開始和結(jié)束并沒有與兩幕式生物滅絕在時間上高度一致，因此將奧陶紀末生物大滅絕的原因與冰川的開始和消融直接聯(lián)系起來受到了質(zhì)疑?！敝袊茖W技術(shù)大學地球和空間科學學院副研究員胡東平說道。

針對這一科學問題，研究人員開辟了新的研究思路。他們對華南奧陶紀末生物滅絕地層中的黃鐵礦進行了高精度同位素分析，發(fā)現(xiàn)伴隨著奧陶紀末火山的噴發(fā)，硫同位素出現(xiàn)非質(zhì)量分餾。當火山活動減弱和停滯后，硫同位素又呈現(xiàn)質(zhì)量分餾。“奧陶紀末非質(zhì)量硫同位素記錄的發(fā)現(xiàn)是有地質(zhì)記錄以來的首次報道。因此，我們提出奧陶紀末火山活動為‘平流層火山噴發(fā)，觸發(fā)和驅(qū)動了當時的生物大滅絕事件。也就是說，‘平流層火山噴發(fā)扣動了奧陶紀末生物滅絕的‘扳機?！鄙蜓影舱f。

該研究認為，奧陶紀末“平流層火山噴發(fā)”將大量二氧化硫、硫化氫和其他火山物質(zhì)輸送至平流層，形成了以硫酸鹽為主的氣溶膠層。硫酸鹽氣溶膠層對全球氣候變化和地球系統(tǒng)的熱量平衡起著至關(guān)重要的作用，因為平流層的硫酸鹽氣溶膠反射短波的太陽輻射、吸收長波的太陽輻射，從而導致地球表面溫度下降。也就是說，硫酸鹽氣溶膠層加熱了自己，冷卻了地球。

在平流層的臭氧層附近，火山噴發(fā)的二氧化硫等含硫氣體經(jīng)光化學反應(yīng)產(chǎn)生硫同位素的非質(zhì)量分餾，形成硫酸鹽等沉降至地表和海洋中，最后保存于巖石中。經(jīng)過短暫的冷卻之后，“平流層火山噴發(fā)”釋放大量溫室氣體使地表溫度迅速升高并形成酸雨，導致陸地和海洋酸化以及海洋缺氧。因此，他們認為，“平流層火山噴發(fā)”觸發(fā)和驅(qū)動的一系列全球氣候劇烈變化和海洋缺氧等環(huán)境惡化，直接導致了奧陶紀末生物大滅絕。

在沈延安看來，該項研究對現(xiàn)代全球氣候變化有著重要的啟示作用。衛(wèi)星觀察數(shù)據(jù)表明，近50年來，平流層的硫酸鹽濃度不斷升高，一種觀點認為是人類活動排放含硫氣體造成的，也有研究認為是現(xiàn)代火山不斷噴發(fā)導致的。很顯然，高精度的硫同位素分析能夠為探討這一重要科學問題提供有力的手段。