探秘地球演變歷史

聚焦關(guān)鍵地質(zhì)時(shí)期

生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（BGEG）以中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）“生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”為基礎(chǔ)，整合了兩個(gè)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科（古生物學(xué)與地層學(xué)、地球化學(xué)）和兩個(gè)一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)（地質(zhì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)與工程）。實(shí)驗(yàn)室以地球系統(tǒng)科學(xué)的思想為指導(dǎo)，以探索地球生物學(xué)的核心科學(xué)問題為目標(biāo)，立足于地球科學(xué)與生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的交叉融合，以地球表層系統(tǒng)中重大的生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)事件和過程為研究重點(diǎn)，在多重時(shí)間尺度上探索地球環(huán)境與生命系統(tǒng)之間的相互關(guān)系、作用機(jī)理和演變規(guī)律。在這一總體框架下，實(shí)驗(yàn)室聚焦關(guān)鍵地質(zhì)時(shí)期的生物事件與環(huán)境事件（包括當(dāng)代異常事件），認(rèn)識(shí)其規(guī)律、探索其機(jī)理，從而既能重塑地球發(fā)展歷程，也能“以古示今”，為研究當(dāng)代全球變化和生物多樣性演變，探索環(huán)境修復(fù)和生物危機(jī)的緩解，提供對(duì)比史實(shí)、理論依據(jù)和技術(shù)方法支撐。

鑒于地球歷史演變過程中重大生物和環(huán)境事件與過程所跨越的時(shí)間尺度多集中于106～104年、104～102年，以及102～100年范疇內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)研究工作形成了與之對(duì)應(yīng)的3個(gè)既有密切聯(lián)系又各有特色的科學(xué)研究方向，包括關(guān)鍵地質(zhì)時(shí)期生命與環(huán)境的協(xié)同演化（106～104年）、新生代以來氣候環(huán)境事件的生態(tài)響應(yīng)（104～102年）、與人類活動(dòng)相關(guān)的生物-環(huán)境地質(zhì)過程（102～100年）。

其中，關(guān)鍵地質(zhì)時(shí)期生命與環(huán)境的協(xié)同演化（106～104年），是以生命演化的早期階段（元古代）、重大生物突變期（古、中代之交和晚泥盆世）和重大異常氣候環(huán)境時(shí)期（白堊紀(jì)）的生物和環(huán)境事件記錄及其動(dòng)力學(xué)過程為重點(diǎn)，深入研究這些關(guān)鍵地質(zhì)歷史時(shí)期時(shí)間分辨率為106～104年的事件序列，旨在重塑早期生命演化、全球性生物危機(jī)及異常環(huán)境背景條件下地球環(huán)境和生命系統(tǒng)的演化歷史，揭示地質(zhì)歷史時(shí)期的生命過程與地球環(huán)境演化之間的因果聯(lián)系，為當(dāng)代地球環(huán)境和生物圈協(xié)同演化規(guī)律提供必要的理論依據(jù)。新生代以來氣候環(huán)境事件的生態(tài)響應(yīng)（104～102年），是以長(zhǎng)江流域和青藏高原的沉積記錄為研究對(duì)象，深入挖掘104～102年時(shí)間分辨率的地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和生物學(xué)信息，揭示新生代以來我國(guó)大陸季風(fēng)氣候背景下某些重大的生物和環(huán)境事件特征，探索生物演化與環(huán)境變遷之間的激勵(lì)、響應(yīng)和反饋機(jī)制，為科學(xué)解決當(dāng)前人類活動(dòng)影響下的全球環(huán)境-生態(tài)危機(jī)（如環(huán)境惡化、生物多樣性銳減等）提供直接啟示。與人類活動(dòng)相關(guān)的生物-環(huán)境地質(zhì)過程（102～100年），則是以工業(yè)革命以來的生物和環(huán)境事件為主要對(duì)象，以102～100年乃至更高時(shí)間分辨率的湖泊沉積物、土壤和地下水等環(huán)境介質(zhì)為載體，系統(tǒng)研究人類干預(yù)下的地球表層系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境變遷和生物多樣性變化，重點(diǎn)從生物地球化學(xué)和地質(zhì)微生物角度剖析人類地質(zhì)作用的水資源生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，借鑒第一、二方向的研究成果，運(yùn)用“以古示今”的科學(xué)思想，融理論探索和工程實(shí)踐于一體，為解決人類活動(dòng)干預(yù)下的生態(tài)環(huán)境惡化問題提供理論與技術(shù)支撐。

取得突破性進(jìn)展

近日，生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交陸相生物與環(huán)境演化”研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合美國(guó)蒙特克萊爾州立大學(xué)崔瑩博士和英國(guó)利茲大學(xué)Paul Wignall教授，利用華南陸相地層中高分辨率的C3植物有機(jī)碳同位素首次重建了二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交大氣CO2濃度連續(xù)變化趨勢(shì)。該成果于2021年4月9日在Nature Communications上在線發(fā)表。

長(zhǎng)期以來，CO2是公認(rèn)的溫室氣體，大氣CO2濃度與氣候變化之間存在緊密聯(lián)系。重建古大氣CO2濃度不僅能夠反映地質(zhì)時(shí)期的古環(huán)境和古氣候情況，還能為未來的氣候變化提供一定的參考依據(jù)。二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交發(fā)生了顯生宙以來最大規(guī)模的生物滅絕事件，海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)均遭受重創(chuàng)。這次生物大滅絕事件伴隨著顯生宙最顯著的一次升溫事件，表層海水溫度升高了近10℃。溫室氣體CO2很可能是二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交升溫事件的主要原因，因此建立高分辨率且連續(xù)的古大氣CO2濃度（pCO2）變化是揭示該時(shí)期全球升溫機(jī)制的重要途徑。近年來開發(fā)的pCO2新指標(biāo)——植物有機(jī)碳同位素，已經(jīng)成功應(yīng)用到不同地質(zhì)時(shí)代的pCO2重建中。該指標(biāo)的材料可以通過提取細(xì)碎屑巖中微米級(jí)的植物化石碎屑獲得，故其產(chǎn)出層位十分連續(xù)。因此，有望通過植物有機(jī)碳同位素恢復(fù)二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交pCO2連續(xù)的變化趨勢(shì)。

研究結(jié)果顯示晚二疊世晚期的pCO2為～430ppmv，隨后逐漸上升，直到二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交達(dá)到峰值～2500ppmv。在早三疊世早期，pCO2一直維持在較高的水平（1500ppmv到2500ppmmv）。這一近6倍的pCO2升高事件與同時(shí)期海-陸相碳同位素負(fù)偏事件，以及表層海水溫度升高事件相耦合。這反映了溫室氣體CO2很可能是導(dǎo)致二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交全球變暖的主要原因?；謴?fù)二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交大氣CO2濃度連續(xù)變化有助于加深研究者對(duì)該時(shí)期全球變暖以及生物大滅絕機(jī)制的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)定量研究地質(zhì)時(shí)期的地球氣候敏感性有著重要意義。

同時(shí)，在如此高CO2濃度的背景下，位于低緯度的華南陸地生態(tài)系統(tǒng)遭到了重創(chuàng)，發(fā)生了一系列環(huán)境惡化事件。研究團(tuán)隊(duì)的前期工作發(fā)現(xiàn)伴隨著碳同位素開始負(fù)偏，代表晚二疊世熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)的聚煤植物大羽羊齒植物群遭受滅絕，同時(shí)地層中的木炭豐度劇烈升高，反映了黔西滇東地區(qū)的野火強(qiáng)度和頻率的顯著提高，可能是高CO2濃度驅(qū)動(dòng)的高溫和強(qiáng)烈的季節(jié)性氣候?qū)е碌?。在陸地生態(tài)系統(tǒng)崩潰之后，黔西滇東地區(qū)的植物面貌發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，大羽羊齒植物群被多樣性十分單一的石松類所取代。研究團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)這些殘存的石松類孢子在重金屬含量富集的層位出現(xiàn)了畸變現(xiàn)象，石松類孢子四分體的比例顯著提高，甚至可達(dá)到孢子總數(shù)的19%，這大大超過了自然界中正常情況下的四分體含量（約3%～5%），而這種耦合關(guān)系也反映了石松類孢子的異?？赡苁歉咧亟饘俸繉?duì)植物的毒化造成的。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、英國(guó)自然環(huán)境研究委員會(huì)及美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的共同資助。

立足未來發(fā)展

如今，生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已在國(guó)內(nèi)地球生物學(xué)中的生物地質(zhì)和地質(zhì)微生物研究方面起到了引領(lǐng)作用，獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，承擔(dān)多項(xiàng)重大國(guó)際合作項(xiàng)目、原“973”計(jì)劃和“863”計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等。研究成果在Nature、Science、PNAS、Geology、EPSL、ES&T等自然科學(xué)和地學(xué)高影響因子刊物上發(fā)表，在地球生物學(xué)研究方面產(chǎn)生了重要的國(guó)際影響。

今后，實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)發(fā)揮中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）在以地球科學(xué)為核心的學(xué)科格局、扎實(shí)雄厚的研究基礎(chǔ)、素質(zhì)優(yōu)良的人才隊(duì)伍、開放流動(dòng)的科研環(huán)境、寬松自由的學(xué)術(shù)氛圍、先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等方面的綜合優(yōu)勢(shì)，緊緊圍繞地球生物學(xué)學(xué)科前沿和國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)，保持實(shí)驗(yàn)室在相關(guān)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，將其建設(shè)成為開放流動(dòng)的國(guó)家科技創(chuàng)新和高層次人才培養(yǎng)基地、生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)科學(xué)研究中心，對(duì)我國(guó)地球生物學(xué)的發(fā)展起輻射帶動(dòng)作用。