近日，《自然·通訊》報(bào)道了一項(xiàng)關(guān)于奧陶紀(jì)末生物大滅絕的研究成果，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈延安研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在奧陶紀(jì)末生物滅絕事件的過(guò)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(jì)末生命滅絕事件的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

長(zhǎng)久以來(lái)，奧陶紀(jì)末生物大滅絕事件的原因一直是個(gè)謎，科學(xué)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，但具體的驅(qū)動(dòng)機(jī)制目前學(xué)界尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。

冰川事件?

遭受氣候變冷和氣候變暖“雙重打擊”

奧陶紀(jì)是古生代的第二個(gè)紀(jì)，氣候溫和，淺海分布廣泛，現(xiàn)今1/3的陸地當(dāng)時(shí)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(yán)重的時(shí)代。這一時(shí)期，海生生物空前發(fā)展，腕足動(dòng)物、三葉蟲(chóng)、珊瑚、筆石等迅速演化，科學(xué)界稱之為“奧陶紀(jì)生物大輻射事件”，原始的脊椎動(dòng)物開(kāi)始出現(xiàn)，陸地上除了很低等的植物，沒(méi)有任何動(dòng)物生存。

發(fā)生在大約4.4億年前的奧陶紀(jì)末生命大滅絕，是地球自寒武紀(jì)生物大爆發(fā)以來(lái)最古老的生物滅絕事件，也是地球5.4億年來(lái)第二大生命滅絕事件。當(dāng)時(shí)的海洋生物遭遇了滅頂之災(zāi)。像珊瑚、腕足動(dòng)物、三葉蟲(chóng)等生物門(mén)類的多個(gè)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(dǎo)致當(dāng)時(shí)85%的海洋生物物種滅絕?？茖W(xué)界普遍認(rèn)為，導(dǎo)致這場(chǎng)災(zāi)難的罪魁禍?zhǔn)拙褪菉W陶紀(jì)末的冰川事件。

關(guān)于奧陶紀(jì)末生命大滅絕，以前主導(dǎo)的觀點(diǎn)是將兩幕式生物滅絕與當(dāng)時(shí)冰期的開(kāi)始和消融聯(lián)系起來(lái)。長(zhǎng)期以來(lái)，這次大滅絕事件的基本過(guò)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(dǎo)致早前的涼水動(dòng)物整體消亡。

“具體來(lái)說(shuō)，就是冰期開(kāi)始的時(shí)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(dǎo)致海洋動(dòng)物生存空間縮小，其結(jié)果是部分動(dòng)物往海洋深部遷移并適應(yīng)深部生存環(huán)境，但相當(dāng)一部分動(dòng)物因?yàn)閷?duì)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(wàn)年之后，冰川開(kāi)始消融，全球海平面迅速升高，氣候變暖，從而導(dǎo)致海洋缺氧。海洋內(nèi)氧氣的缺乏直接對(duì)奧陶紀(jì)末生命造成毀滅性的打擊?！鄙蜓影哺嬖V科技日?qǐng)?bào)記者。

真核藻類大爆發(fā)?

海洋“吸收”有機(jī)碳致大氣CO2濃度急降

雖然長(zhǎng)期以來(lái)，赫南特冰期及其引發(fā)的氣候、海洋環(huán)境變化，導(dǎo)致生物大滅絕是國(guó)際上較為主流的觀點(diǎn)，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(gè)謎。

2018年，美國(guó)哈佛大學(xué)地球與行星科學(xué)系安·皮爾遜課題組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈延安研究團(tuán)隊(duì)合作在《自然·地球科學(xué)》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(dǎo)致奧陶紀(jì)末期生物的集體滅絕。

研究人員以美國(guó)內(nèi)華達(dá)州維尼溪奧陶—志留紀(jì)典型剖面為研究對(duì)象。沈延安團(tuán)隊(duì)首先對(duì)該剖面進(jìn)行了詳細(xì)的野外考察并進(jìn)行了高密度的樣品采集工作，在此基礎(chǔ)上中美合作團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了氮同位素的研究工作。研究結(jié)果顯示，在奧陶紀(jì)末期，由于陸地大量維管植物首次出現(xiàn)與擴(kuò)張，增強(qiáng)了大陸風(fēng)化作用，導(dǎo)致海洋中生物可利用的限制性營(yíng)養(yǎng)元素十分充裕。這為加速浮游植物的生長(zhǎng)、繁殖提供了有力的條件。

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(kuò)張，大量有機(jī)碳迅速被埋藏在海洋中，致使大氣中二氧化碳濃度短時(shí)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(dòng)因素。

此外，還有研究人員認(rèn)為，伽馬射線暴導(dǎo)致了這次生物大滅絕。所謂伽馬射線暴是宇宙中一種伽馬射線強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)突然增強(qiáng)，隨后又迅速減弱的現(xiàn)象。伽馬射線暴的時(shí)間不長(zhǎng)，通常只有幾十秒，能量主要來(lái)自伽馬射線。伽馬射線是波長(zhǎng)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(xué)家通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)強(qiáng)大的伽馬射線暴能夠殺死一定范圍內(nèi)的宇宙生命。奧陶紀(jì)大滅絕是地球5大歷史事件之一，導(dǎo)致海洋物種數(shù)量急劇下降。有證據(jù)表明，這一巨變發(fā)生在冰河時(shí)代，而伽馬射線暴可能是觸發(fā)此次大規(guī)模滅絕事件的原因之一。

平流層火山噴發(fā)

觸發(fā)全球氣候劇變和海洋環(huán)境惡化

“但是近年來(lái)科學(xué)家們通過(guò)全球范圍內(nèi)詳細(xì)的野外考察和研究發(fā)現(xiàn)，奧陶紀(jì)末冰川期的開(kāi)始和結(jié)束并沒(méi)有與兩幕式生命滅絕在時(shí)間上高度一致，因此將奧陶紀(jì)末生命大滅絕的原因與冰川的開(kāi)始和消融直接聯(lián)系起來(lái)受到了質(zhì)疑?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院副研究員胡東平說(shuō)道。

針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，研究人員開(kāi)辟了新的研究思路。他們對(duì)華南奧陶紀(jì)末生命滅絕地層中的黃鐵礦進(jìn)行了高精度同位素分析，發(fā)現(xiàn)伴隨著奧陶紀(jì)末火山的噴發(fā)，硫同位素出現(xiàn)非質(zhì)量分餾，當(dāng)火山活動(dòng)減弱和停滯后，硫同位素又呈現(xiàn)質(zhì)量分餾?！皧W陶紀(jì)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(lái)的首次報(bào)道。因此，我們提出奧陶紀(jì)末火山活動(dòng)為‘平流層火山噴發(fā)’，觸發(fā)和驅(qū)動(dòng)了當(dāng)時(shí)的生命大滅絕事件。也就是說(shuō)‘平流層火山噴發(fā)’扣動(dòng)了奧陶紀(jì)末生命滅絕的‘扳機(jī)’?！鄙蜓影舱f(shuō)。

該研究認(rèn)為，奧陶紀(jì)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)輸送至平流層并形成了以硫酸鹽為主的氣溶膠層。硫酸鹽氣溶膠層對(duì)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?yàn)槠搅鲗恿蛩猁}氣溶膠反射短波的太陽(yáng)輻射、同時(shí)吸收長(zhǎng)波段的太陽(yáng)輻射，從而導(dǎo)致地球表面溫度下降。也就是說(shuō)，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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生硫同位素的非質(zhì)量分餾，并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(guò)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(dǎo)致陸地和海洋酸化以及海洋缺氧。因此，他們認(rèn)為，“平流層火山噴發(fā)”觸發(fā)和驅(qū)動(dòng)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(dǎo)致了奧陶紀(jì)末生命大滅絕。

在沈延安看來(lái)，該項(xiàng)研究對(duì)現(xiàn)代全球氣候變化有重要的啟示作用。衛(wèi)星觀察數(shù)據(jù)表明，近50年來(lái)平流層的硫酸鹽濃度不斷升高，一種觀點(diǎn)認(rèn)為是人類活動(dòng)排放含硫氣體造成的，也有研究認(rèn)為是現(xiàn)代火山不斷噴發(fā)導(dǎo)致的。很顯然，高精度的硫同位素分析能夠?yàn)樘接戇@一重要科學(xué)問(wèn)題提供有力的手段。