4.6億年前，生物大輻射被誰(shuí)按下“暫停鍵”

距今約4.6億年的奧陶紀(jì)大輻射，是地球歷史上規(guī)模最大的生物輻射事件之一。

但是，最新的高分辨率生物多樣性曲線表明，華南種一級(jí)的生物多樣性在生物大輻射峰值之后出現(xiàn)近50%的降低，這引起了地質(zhì)學(xué)家的重視。是什么原因?qū)е聤W陶紀(jì)生物大輻射出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)？

最近，中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所相關(guān)專(zhuān)家與國(guó)外同行合作研究發(fā)現(xiàn)，奧陶紀(jì)氣候變冷期的缺氧海水?dāng)U張，可能是大輻射期間生物多樣性達(dá)到峰值之后發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折的誘因。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際刊物《地球與行星科學(xué)快報(bào)》上。

海洋生命的“黃金繁育期”突然中止

距今約4.6億年的奧陶紀(jì)中葉，是地質(zhì)歷史上“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”之后海洋生命的又一個(gè)“黃金繁育期”。大氣二氧化碳含量持續(xù)下降，地球走出長(zhǎng)達(dá)數(shù)千萬(wàn)年的溫室氣候。該時(shí)期，氧氣含量出現(xiàn)了階段性增長(zhǎng)，一度達(dá)到了現(xiàn)代大氣中氧氣水平的一半，導(dǎo)致表層海水幾乎徹底氧化。

由此造成的結(jié)果是，海洋生物多樣性劇增，生態(tài)系統(tǒng)逐漸趨于復(fù)雜和穩(wěn)定。與此同時(shí)，早期陸地植物也紛紛開(kāi)啟了它們的陸地開(kāi)荒之旅。

當(dāng)時(shí)的低緯度海域表層海水平均溫度約為25—30℃，與現(xiàn)代赤道氣候十分接近。處于低緯度地區(qū)的大陸架，如華南板塊、勞倫板塊和波羅的板塊的近海陸棚，成為適宜生物繁衍的環(huán)境。因此，在這些板塊奧陶紀(jì)保存下的沉積巖中，人們發(fā)現(xiàn)了三葉蟲(chóng)、腕足類(lèi)、頭足類(lèi)、筆石、幾丁蟲(chóng)等大量的古生物化石標(biāo)本。

在古生物學(xué)研究中，通過(guò)確定這些化石的屬種并統(tǒng)計(jì)其多樣性，繪制出生物多樣性曲線，發(fā)現(xiàn)海洋生物多樣性在中奧陶世達(dá)瑞威爾期出現(xiàn)峰值，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為“奧陶紀(jì)生物大輻射”。

對(duì)于“奧陶紀(jì)生物大輻射”，前人曾提出氣候變冷、大氣氧化、海平面上升，甚至包括地外因素如小行星分解等多種成因假說(shuō)。

在2018年前，科學(xué)家繪制的生物多樣性曲線都是以階或者期為時(shí)間單位，分辨率較低。但是，相關(guān)專(zhuān)家采用CONOP和超算方法，在實(shí)現(xiàn)高分辨率的生物多樣性曲線后，發(fā)現(xiàn)該時(shí)期的生物多樣性在峰值之后出現(xiàn)了一個(gè)較大幅度的下降。

“現(xiàn)在的華南地區(qū)在北緯30度左右，而奧陶紀(jì)時(shí)華南地區(qū)則在北緯0—10度左右?！睂?zhuān)家說(shuō)，“生物多樣性峰值之后的轉(zhuǎn)折及其環(huán)境背景機(jī)制，一直沒(méi)有得到深入研究。我們做的相關(guān)研究就是要將氣候變冷期的缺氧事件和多樣性下降聯(lián)系起來(lái)?！?/p>

缺氧海水?dāng)U張或是背后“元兇”

中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所相關(guān)專(zhuān)家在與國(guó)外同行深入研究后發(fā)現(xiàn)，奧陶紀(jì)的開(kāi)闊大洋深部并未大范圍氧化。氣候變冷期的缺氧海水?dāng)U張，可能是多樣性出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折的誘因。

支持這種觀點(diǎn)的最新證據(jù)，來(lái)自華南地區(qū)中—上奧陶統(tǒng)黑色頁(yè)巖。該類(lèi)型的頁(yè)巖主要分布于我國(guó)湖南、江西、浙江、安徽等地。無(wú)獨(dú)有偶，同時(shí)代的黑色頁(yè)巖還包括我國(guó)塔里木地區(qū)的薩爾干組與華北鄂爾多斯地區(qū)的烏拉力克組等。

專(zhuān)家介紹，這些黑色頁(yè)巖，均形成于容易被上升洋流影響的中低緯度近海盆地。和現(xiàn)代海洋類(lèi)似，氣候變冷時(shí)，來(lái)自高緯度的深部冷流就會(huì)增強(qiáng)，上升洋流回?cái)y帶更多營(yíng)養(yǎng)鹽到達(dá)中低緯度的陸棚區(qū)，從而刺激表層海水生產(chǎn)力增高，導(dǎo)致向下輸出的有機(jī)質(zhì)增多。到達(dá)海底的有機(jī)質(zhì)分解時(shí)消耗大量溶解氧，進(jìn)而造成海底缺氧現(xiàn)象。

這些缺氧海水，尤其是硫化氫和重金屬富集的海水，會(huì)伴隨上述效應(yīng)的增強(qiáng)而發(fā)生擴(kuò)張，沿陸棚進(jìn)入淺水環(huán)境時(shí)影響水體生態(tài)。這一現(xiàn)象和現(xiàn)代湖泊的“赤潮”類(lèi)似，但影響范圍更大、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，因此對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的破壞也更嚴(yán)重。

從全球尺度來(lái)看，越來(lái)越多的地質(zhì)證據(jù)表明，奧陶紀(jì)的海洋深部并未被大范圍氧化，且頻繁地發(fā)生缺氧海水?dāng)U張，并上涌危害透光層的現(xiàn)象。

晚寒武世，大氣二氧化碳濃度異常，可達(dá)現(xiàn)代大氣水平的15—20倍。溫室氣候下的海洋水體循環(huán)速率緩慢，易出現(xiàn)海水分層化、底水缺氧現(xiàn)象。進(jìn)入奧陶紀(jì)，這一效應(yīng)雖然得到緩解，但海洋的氧化相較于大氣氧化，存在較大滯后性。因此，中—晚奧陶世的海洋中頻繁出現(xiàn)的海洋缺氧現(xiàn)象，一直在影響海洋生物群落的繁盛。當(dāng)這種影響嚴(yán)重時(shí)，往往會(huì)表現(xiàn)為海洋生物多樣性的大幅下降。

“我們今天關(guān)注的‘全球變暖’和‘雙碳戰(zhàn)略’，即為控制二氧化碳等溫室氣體的排放和存儲(chǔ)，以保證其在地球表層圈層的動(dòng)態(tài)平衡。但需要我們注意的是，地球打破氣候穩(wěn)態(tài)時(shí)出現(xiàn)的一系列氣候、陸地、海洋的劇烈環(huán)境變化、伴隨的地質(zhì)災(zāi)害及上述現(xiàn)象對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，要比單純的氣溫升高帶來(lái)的影響更嚴(yán)重。” 專(zhuān)家還說(shuō)，關(guān)注地質(zhì)歷史時(shí)期的“碳”，以古論今、以古鑒今，有助于我們踐行于今天、澤被于明天。