巨蟲時代的“冰與火之歌”

□文/中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所 王冠群 陳吉濤 潘浩晨

來自3 億年前的環(huán)保警示

在地質(zhì)史上， 發(fā)生過多次天翻地覆式的氣候波動，其中最著名的一次就發(fā)生在號稱“顯生宙持續(xù)時間最長冰期”的晚古生代大冰期中。當(dāng)時，地球上發(fā)生了一次“不講武德”的巨量碳排放事件，幾乎讓當(dāng)時的二氧化碳濃度翻倍，也讓當(dāng)時（石炭紀(jì)）的巨型昆蟲走向末路。

那次碳排放事件和現(xiàn)代的碳排放相比，不論是二氧化碳的濃度數(shù)值還是所處的大環(huán)境都有相似性，因此對我們預(yù)測未來氣候變化的情況有著極強的借鑒作用。

凜冬將至，在劫難逃

在地球生物的演化史上，石炭紀(jì)可謂是群雄并起、英才輩出的時期。得益于石炭紀(jì)早期種子植物的輻射和大發(fā)展，再加上趁著“植物收割機”——脊椎動物還在水陸間徘徊，成片的森林迅速占領(lǐng)了地球上每一寸適合生存的地方，這極大地改變了地球的環(huán)境。

首先，森林本身的光合作用會吸收大量的二氧化碳，二氧化碳會轉(zhuǎn)化為植物體內(nèi)的有機物。一旦植物死亡、變成煤層，碳也就隨之被固定在地層中。

右側(cè)地層中的墜石和較為平均整齊的地層格格不入，代表了冰川現(xiàn)象圖片來源/陳吉濤拍攝于阿根廷

其次，大量的根系讓原本堅固的地面變得松動和脆弱，導(dǎo)致硅酸鹽巖風(fēng)化加劇。硅酸鹽在風(fēng)化中會與二氧化碳反應(yīng)，形成碳酸鹽巖和二氧化硅，這也是一個固碳的過程。

最后，風(fēng)化使得磷等陸源營養(yǎng)物質(zhì)大規(guī)模灌入海洋，這對海洋中各種浮游藻類來說就是“大補丸”，它們迅速繁衍，讓全球海洋生產(chǎn)力暴漲（今天人們稱之為“藻華”“赤潮”等）。與陸地上的植物相似，浮游藻類死亡后，其體內(nèi)的有機物也會被埋藏而變成地層的一部分。

這三管齊下的結(jié)果，就是大氣中的二氧化碳含量快速降低。眾所周知，二氧化碳是重要的溫室氣體，失去了二氧化碳這床“大棉被”，地球的溫度便開始頭也不回地往下“俯沖”。更雪上加霜的是，極地冰蓋出現(xiàn)后，由于冰層反照率高，會將更多的陽光反射回大氣中，造成地球接收到的熱量降低，而且這個過程隨著冰蓋向低緯度擴張而越來越嚴(yán)重，成為一個惡性循環(huán)。持續(xù)千萬年之久的凜冬，終于不可避免地來了。

在石炭紀(jì)初期的地層中就開始出現(xiàn)此次冰期的證據(jù)，而在石炭紀(jì)晚期-二疊紀(jì)初期的地層中則達(dá)到高峰，巨大冰川的痕跡比比皆是。一種叫作“墜石”的地層現(xiàn)象也在這一時期較為常見，這是一種在規(guī)則沉積的地層中非常突兀地出現(xiàn)一塊礫石的地層現(xiàn)象。這種看上去如同鑲嵌在地層中的石頭，其實就和冰川有關(guān)。

在大型冰川崩解后，帶著一部分碎屑礫石的小冰山就開始了四處漂浮流浪的生活。而隨著這些“孤兒”日益消融，其夾帶的碎屑礫石便散落在原本正常沉積的地層之中，從而顯得極為扎眼。如今，兩極冰川也已在崩解中，現(xiàn)代的“孤兒”已經(jīng)帶著礫石開始了流浪，在未來的某一天也會形成類似的墜石現(xiàn)象。

巨蟲當(dāng)?shù)溃鹇怪性?/h2>

和如今“四分五裂”的大陸形態(tài)不同，那會兒的地球有個無比龐大的超大陸（Pangaea），而無數(shù)的“英雄好漢”也在這片“中原大地”上樂此不疲地你爭我奪，節(jié)肢動物無疑是其中最引人注目的一群。

由于野蠻生長的植物拼命排放著氧氣，當(dāng)時大氣中的氧氣含量高得驚人，于是陸生節(jié)肢動物在石炭紀(jì)幾乎達(dá)到了身體尺寸的極限。翼展達(dá)到75 厘米的巨脈蜻蜓在遮天蔽日的樹冠下振翅飛翔，地面不時爬過2米長的巨型馬陸，幽暗的樹蔭深處還有70 厘米長的肺蝎靜靜等待著獵物上門……當(dāng)時密布全球的雨林給了這些巨蟲得天獨厚的棲息地，使得石炭紀(jì)有了“巨蟲時代”的美譽。

從左至右依次為巨型馬陸、巨脈蜻蜓、肺蝎圖片來源/walking with monsters 紀(jì)錄片及prehistoric-wildlife.com

剛剛進(jìn)化出羊膜卵的爬行動物們則正開始遠(yuǎn)離河流，朝內(nèi)陸廣袤的森林小心謹(jǐn)慎地進(jìn)行著探索，它們在日后將會繼續(xù)演化成為合弓綱和蜥形綱的巨獸。但至少在石炭紀(jì)，它們還都是像蜥蜴一般的原始爬行動物，體形不大，往往會淪為巨蟲的口糧。但是，就在這些動物在森林中殺得你來我往時，巨變來了！

久旱逢火，雨林崩潰

石炭紀(jì)龐大的雨林體系雖然潮濕，但是依然有著致命的隱患——森林大火。

由于當(dāng)時空氣中的氧氣含量很高，且隨著氣候逐漸變冷，冰川規(guī)模日益龐大，這些龐然大物帶走了大量水分，讓海平面下降，改變了洋流和季風(fēng)，同時讓空氣變得異常干燥。

3.2 億年前的超大陸，可以看到南邊岡瓦納大陸上的超大范圍冰川圖片來源/http://www.earthbyte.org/paleomap-paleoatlas-for-gplates/

只要有一丁點的引火物——比如閃電、局部陽光暴曬、火山爆發(fā)等，就會讓大片森林陷入熊熊大火中，頃刻間灰飛煙滅。到了石炭紀(jì)末期，這種森林大火頻繁發(fā)生，讓森林以及林中的生物一次次遭受滅頂之災(zāi)。

在火與旱的洗禮下，曾經(jīng)浪漫而蓬勃的雨林體系終于支撐不住而全面崩潰。這一事件被稱為“石炭紀(jì)雨林崩潰事件”。

巨蟲謝幕，改朝換代

與此同時，地球積攢了上千萬年的二氧化碳也瘋狂地噴涌而出。科學(xué)家對中國貴州石炭紀(jì)晚期的卡西莫夫期和格舍爾期界線（簡稱“KGB”）地層做了碳同位素測試分析，發(fā)現(xiàn)在距今3.04 億年的這一時期，地球在“短短”30 萬年的時間內(nèi)向大氣中拋出了大約9 萬億噸的碳，讓當(dāng)時地球大氣的二氧化碳濃度從350ppm 飆到了接近700ppm（ppm，即百萬分比），幾乎翻了一倍。而現(xiàn)今的二氧化碳濃度，大約是420ppm。

從碳的同位素比值來看，這巨量的碳的來源是有機碳。造成這個結(jié)果，可能有兩方面的原因。

一是火山。從熾熱的熔巖接觸到有機沉積物（例如煤層）的那一刻起，碳就回歸空氣大家庭了，更別說熔巖本身就攜帶不少的碳。不過，這還需要更精細(xì)的研究才能確定。

二是永久凍土層的融化。這個可謂是惡性循環(huán)的大殺器，在變暖的驅(qū)動下，這些常年冰封的凍土開始融化，其中的有機碳因此被釋放出來，從而讓氣候快速變暖。

不過無論誰是兇手，這次全球變暖都讓不少無辜的生物遭了殃，因為它除了讓溫度急劇升高，還有個要命的結(jié)果就是海洋缺氧?？茖W(xué)家對KGB 的碳酸鹽巖做了鈾同位素測定，發(fā)現(xiàn)這一時期的巨量碳排放使得海水的缺氧面積由之前的4%擴張到了22%左右。這對當(dāng)時相對比較單純的海洋環(huán)境可就不那么友好了，行動不便的底棲有孔蟲以及腕足動物、珊瑚，都因為缺乏運動能力而在“窒息”中大規(guī)模死亡。

而陸地上的巨蟲們在森林大火和雨林崩潰帶來的棲息地急劇縮水的雙重摧殘下，又遭受到全球變暖和氧氣含量下降的致命一擊，再也沒法延續(xù)曾經(jīng)的輝煌，從此讓出了霸權(quán)，走上了小型化的道路。巨蟲時代從此畫上了句號，卻開啟了另一場“權(quán)力的游戲”。從此，地球正式進(jìn)入巨獸和巨龍時代。

火山噴發(fā)過程中釋放了煤層中儲存的碳圖片來源/HOWARD LEE 修改重繪于 Fristad et al Palaeo3 2015, with input

凍土里藏著海量的有機碳圖片來源/USGS

趁你冰，要你命

巨蟲的時代雖然落幕了，但是這個3 億年前的巨量碳排放事件對我們現(xiàn)代人的警示遠(yuǎn)沒有結(jié)束。

冰室氣候中冰川的正反饋過程增強氣候敏感性，也導(dǎo)致二氧化碳增加引起的溫度變化更大圖片來源/environmental science for a changing world 2nd edition

其實，碳排放增加在地質(zhì)史上的次數(shù)多到數(shù)不清，而這次KGB 尤為不尋常的地方在于——同等碳排放程度下造成了最大的海洋缺氧面積。

地球的氣候可以籠統(tǒng)地分為兩大類型，即冰室氣候和溫室氣候，兩者的區(qū)別就在于兩極是否有冰蓋。而前文說過，KGB 發(fā)生時，地球正處于顯生宙以來最長的冰室氣候，極地的冰蓋又厚又大，其他事件卻都是處在溫室氣候的大環(huán)境下，所以從數(shù)據(jù)上看，其實是冰室氣候下的碳排放比溫室氣候下的碳排放可能更要命。

地球本身是具備自我調(diào)節(jié)功能的，就像有機體一樣。一旦碳排放過多，溫度上升的同時，降雨也會跟著增多，從而造成化學(xué)風(fēng)化進(jìn)一步加強，使得碳被更多地封進(jìn)巖石中，從而減緩溫度上升；反之，溫度下降會減少降雨，讓風(fēng)化減弱，從而減緩溫度下降。這個系統(tǒng)在原理上是沒問題的。

但是，問題就在于，一旦碳排放過快，有無冰蓋在短期內(nèi)的影響是截然不同的：有冰蓋的情況下，會存在大量的凍土層，這些凍土的融化會進(jìn)一步加劇碳排放；而冰蓋的反照率也較高，冰蓋快速消融的后果就是反射回太空的太陽光大大減少，這意味著保留在地球上的熱量大大增加。

這兩點就讓冰室期的碳排放有著火上澆油的效果。而且，冰川的消融還讓原本被覆蓋的巖石有機會被風(fēng)化溶解，從而流入海洋，其中的營養(yǎng)物質(zhì)又造成了海洋中的赤潮——與赤潮隨之而來的就是水體缺氧和毒素富集，導(dǎo)致其他生物大量死亡。

昔蟲已逝，警鐘長鳴

不幸的是，我們現(xiàn)在正處于冰室氣候中。工業(yè)革命以來，我們向大氣中排放的二氧化碳逐年增加——其中很大一部分的二氧化碳都來自石炭紀(jì)被埋藏于地下的有機碳所形成的各種化石燃料。

我們目前面臨的困境，是兩極冰川已經(jīng)開始大面積崩塌，而且地球上的凍土也正處于崩潰邊緣，各地頻發(fā)的森林大火以及層出不窮的極端天氣也已經(jīng)向我們敲響了警鐘。

我們雖然已經(jīng)認(rèn)識到情況的緊迫，但是各自為政的各國政府步調(diào)并不一致，而且現(xiàn)代社會的發(fā)展也正是建立在化石燃料的基礎(chǔ)之上的。那么，如何平衡發(fā)展與環(huán)境、如何達(dá)成全球的一致行動，這些問題在日益緊迫的氣候變化下對所有人都是巨大的挑戰(zhàn)。