4.6億年前生物多樣性達峰后為何下降50%

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。然而，最新的高分辨率生物多樣性曲線表明，華南的種一級多樣性在生物大輻射峰值之后出現(xiàn)近50%的降低，這一發(fā)現(xiàn)引起地質(zhì)學(xué)家的重視。

 

最近，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所（以下簡稱南古所）科研人員與國外同行合作研究發(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到峰值之后發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折的誘因。日前，相關(guān)研究成果發(fā)表在《地球與行星科學(xué)快報》（Earth and Planetary Science Letters）上。

 

沒有提出合適的解釋

 

據(jù)了解，在地質(zhì)歷史上，奧陶紀(jì)中葉是“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”之后海洋生命的又一個“黃金繁育期”。這一時期，大氣中二氧化碳含量持續(xù)下降，地球走出長達幾千萬年的溫室氣候，而氧氣含量呈現(xiàn)階段性增長并一度達到現(xiàn)代大氣水平的一半，表層海水幾乎徹底氧化。

 

在如此宜居的環(huán)境下，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，早期陸地植物也開啟它們的陸地開荒之旅。

 

當(dāng)時的低緯度海域表層海水平均溫度約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。

 

研究人員在這些板塊在奧陶紀(jì)保存下的沉積巖中，找到大量精美的化石，如三葉蟲、腕足類、頭足類、筆石、幾丁蟲等，通過確定這些化石的屬種并統(tǒng)計多樣性，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瑞威爾期出現(xiàn)峰值，這一現(xiàn)象被成為“奧陶紀(jì)生物大輻射”。

 

對于“奧陶紀(jì)生物大輻射”，前人在研究中曾提出多種成因假說，如氣候變冷、大氣氧化、海平面上升，甚至包括地外因素如小行星分解等。然而，多樣性峰值之后的轉(zhuǎn)折及其環(huán)境背景機制，卻一直未被深入研究。

 

“由于前人繪制的生物多樣性曲線在2018年之前都是以階或者期為時間單位，分辨率較低。”論文第一作者、南古所助理研究員張俊鵬告訴《中國科學(xué)報》，“南京大學(xué)教授樊雋軒和南京地古所博士研究生鄧怡穎實現(xiàn)了高分辨率的生物多樣性曲線，并發(fā)現(xiàn)在峰值之后有個較大幅度的下降，但沒有提出合適的解釋。”鄧怡穎也是論文作者之一，負(fù)責(zé)多樣性數(shù)據(jù)的分析。

 

海洋深部并未大范圍氧化

 

最近，南古所研究員張元動、張俊鵬等人與國外同行開展合作研究后發(fā)現(xiàn)，奧陶紀(jì)的開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。張俊鵬解釋道：“我們開展的古環(huán)境恢復(fù)研究將氣候變冷期的缺氧事件和大輻射期間生物多樣性下降聯(lián)系起來。”

 

支持這種觀點的最新證據(jù)來自于我國華南地區(qū)中—上奧陶統(tǒng)黑色頁巖，主要分布于我國湖南、江西、浙江、安徽等地。無獨有偶，同時代的黑色頁巖還包括我國塔里木地區(qū)的薩爾干組與華北鄂爾多斯地區(qū)的烏拉力克組、勞倫板塊西北緣的Roadriver Group和波羅的板塊的Alum Shale等。

 

張俊鵬介紹，這些黑色頁巖均形成于容易被上升洋流影響的中低緯度近海盆地。類比現(xiàn)代海洋，氣候變冷時，來自高緯度的深部冷流增強，會以上升洋流的形式攜帶更多營養(yǎng)鹽到達中低緯度的陸棚區(qū)，刺激表層海水生產(chǎn)力增高，向下輸出的有機質(zhì)增多，到達海底的有機質(zhì)分解時消耗大量溶解氧，從而造成海底缺氧現(xiàn)象。

 

這些缺氧海水，尤其是硫化氫和重金屬富集的海水，會伴隨上述效應(yīng)的增強而發(fā)生擴張，沿陸棚進入淺水環(huán)境時影響水體生態(tài)。這一現(xiàn)象和現(xiàn)代湖泊的“赤潮”類似，但影響范圍更大，持續(xù)時間更長，因此對海洋生態(tài)系統(tǒng)的破壞更嚴(yán)重。

 

從全球尺度來看，越來越多的地質(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。進入晚寒武世，大氣二氧化碳濃度異常，可達現(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。

 

張俊鵬表示，在中—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，表現(xiàn)為海洋生物多樣性的大幅下降。

 

以古論今，以古鑒今

 

當(dāng)前，全球變暖是地球科學(xué)研究領(lǐng)域的共識。然而，無論氣候變暖或變冷，并非簡單的平均溫度升高或降低，氣候打破穩(wěn)態(tài)后，都會伴隨一系列環(huán)境變化，比如常見的極端天氣，干旱或洪澇等等。

 

“我們開展的這項研究只是過去氣候變化引起的海洋環(huán)境變化的一個縮影。”張俊鵬告訴《中國科學(xué)報》，“我們今天關(guān)注的‘全球變暖’和‘雙碳’戰(zhàn)略，即為控制溫室氣體如二氧化碳等的排放和存儲，以保證其在地球表層圈層的動態(tài)平衡。”

 

他指出：“未來更需要我們注意的不是正在升高的平均溫度，而是地球打破氣候穩(wěn)態(tài)時出現(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)害及其對生態(tài)系統(tǒng)的影響。因此，關(guān)注地質(zhì)歷史時期的‘碳’，以古論今，以古鑒今，有助于我們踐行于今天、澤被于明天。”

 

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117858