宋海軍：最大的一次生物大滅絕，種級滅絕率可能達到了95%
【文/宋海軍】
大家好，我叫宋海軍，來自中國地質大學（武漢）。
在談大滅絕之前我想先問一個問題，大家知不知道現在地球上有多少種生物？幾萬、幾十萬，還是幾百萬？幾百萬。大家猜得非常準，實際上是150萬。
這個數字聽起來非常多，但其實只佔地球曾經擁有的物種很少一部分，只佔1%。也就是説我們地球上曾經居住着一億五千萬種生物，它們99%都滅絕了。
我們一般把滅絕分兩種，一種叫背景滅絕。就是達爾文在《進化論》中説的適者生存，不適者被淘汰。比如在我們人類演化的過程中，有很多物種就是這樣被淘汰的。
從五百多萬年前的古人類演化到現今的人類，經歷了很多中間物種，它們很多都已經滅絕了，比如地猿、南方古猿、能人、直立人、尼安德特人等等。而延續到現在的，地球上目前只有兩個，一個是黑猩猩，一個就是現在的人類，這些中間物種的滅絕我們就稱為背景滅絕。
另外一種叫大滅絕。我們從字面意義上就可以理解，就是很多生物在很短的時間內同時滅絕。
這張圖展示的就是地球五億多年以來生物多樣性的變化。大家可以看到，生物多樣性的曲線有高有低，低的時候就代表生物多樣性劇減的情況，也就代表着生物大滅絕。
Sepkoski,1984
到目前為止，地球歷史上有五次非常大的滅絕事件，它們分別發生在4.3億年前的奧陶紀末，3.7億年前的晚泥盆世，2.5億年前的二疊紀末，2億年前的三疊紀末，以及6500萬年前的白堊紀末，恐龍的滅絕就是在最後一次。
我今天主要想跟大家講的就是最大的一次，發生在2.5億年前的這一次。古生物學家根據化石記錄進行了一個初步估計，認為這幾次大滅絕的滅絕率基本上都在80%左右。其中最小的一次就是最後恐龍滅絕這一次，可能它的種級滅絕率只有76%。最大的就是2.5億年前的這一次，種級滅絕率可能達到了95%，也就是100個種裏95個都滅絕了，只剩下了5個。
估算的滅絕率
到底是不是這樣呢？2.5億年前這一次大滅絕，到底有多少物種滅絕了呢？這是大家非常關心的一個問題，也是我主要研究的一個問題。
如何研究大滅絕呢？我們一般是選擇海洋裏面的生物進行研究，就是海洋中的化石。海洋中的這些生物死了之後很容易就沉到了海底，被海底的泥沙掩埋，這樣越埋越深，越深之後它的壓力和温度就會很高，所以這些沉積物就被轉化成岩石。這些生物就跟着岩石一起轉化為了化石。
當地層在碰撞的時候可能就會造山，兩個地層這樣一碰撞相互擠壓，地下的岩石就被抬到了山上，化石就跟着岩石一起被抬到了山上，這也是我們找化石為什麼一般去山上的一個原因。
這是貴州貴陽附近的一個小山包。大家可以看到這裏的地層還是水平的，説明當時這個地方是一個海洋，當然在2.5億年前我們現在所在的上海也是海洋。
當時在這個地方就沉積了很多這樣的沉積物，靠近下邊的這些沉積物一般形成得比較早，我們按照時間順序把這套地層進行編號。這段地層大概有兩米多厚，大家可以猜一猜，代表多少時間呢？20萬年。
我們一般在野外發現的化石都是大化石，也就是我們肉眼可以看到的，一般是幾釐米或者幾十釐米，甚至幾米大的化石。
這個是魚的化石。
這個是菊石，是已經滅絕的一種生物。
這個是腕足動物的化石。
這些都是大化石，肉眼可以看到。實際在這些岩石裏面還有很多非常微小的化石，我們稱之為微體化石，它們的個體通常小於一毫米，所以在野外我們很難看到它，因為肉眼看不到。怎麼辦呢？我們一般是把石頭先採回來，通常每一層採個幾公斤，然後對它進行處理。
一種就是通過化石溶解，把這些石頭用一些酸溶解掉，然後裏面的化石就會露出來，我們再在顯微鏡下把化石挑出來。比如説我們現在看到的這個化石，它的大小可能只有幾百微米，也就是零點幾個毫米，只有通過這種方法把它處理出來。
牙形石
還有另外一種化石，它的成分跟岩石一樣，所以我們沒法通過化學溶解把它取出來。這時候一般把這個石頭磨成薄薄的一個片子，然後把它放在顯微鏡下，通過內部結構來對它進行生物學鑑定。
有孔蟲化石
就這樣我們把獲得的這些大化石，和在實驗室獲得的這些微化石，一起進行古生物學研究。
比如説ABCDE五個種，A實際上是在一層、二層、三層和四層出現，所以我們就把它放在這樣一個投點上。然後再把這四個點連成一條線，就代表了這個種在當時生活的年限，也就是從第一層生活到第四層，生活了這麼久。
就這樣我們把所有種的年限都畫出來，就得出了這樣一個圖。
從這個圖上就可以看到，種A到種D在第四層就滅絕了，因為它們以後再也沒有出現了，而種E它在五層、六層、七層還有出現，所以它沒有滅絕。
針對2.5億年前的這次滅絕，我們就在中國很多地方找了很多化石，總共有500多個種，把它們的年限投到這樣一個圖上。大家可以看到這張圖上有五百多根線，這麼多線，大部分都在中間這一段地層裏面消失了，沒有延續上去，説明這些物種都滅絕了。這段地層是三萬年左右，也就是説在這三萬年絕大多數物種都滅絕了。
而且滅絕經歷了兩個階段。大家應該也能看得出來，第一幕這兒有一個階段很多物種一起消失了，第二幕這兒還有一個階段也都一起消失了。也就是經過這兩個階段，總共有91%的海洋物種滅絕了。這跟之前科學家估計的95%的滅絕率是非常接近的。
對於不同的類別來説，滅絕的情況是不一樣的，有些類別受影響比較大，有些類別受影響比較小。我們看一看受影響比較大的，其中有一類叫三葉蟲，可能在座的有人認識它。是一種比較常見的化石，特別是在五億年前的海洋中它是佔主導，海洋中基本上全是它。這一類生物就在這一次滅絕中徹底消失了，以後再也沒有了。
另外一種是四射珊瑚，也就是當時主要的造礁生物，它也是在這一次滅絕事件中完全消失了。我們現在海洋裏面的珊瑚已經不是四射珊瑚了，是以六射珊瑚為主。
這是滅絕得比較嚴重的。我們再來看一看哪些生物倖存了呢？左邊這張圖展示的是在滅絕前海洋裏面的生物主要由哪些組成。我們可以看出，在滅絕前，固着型的，像珊瑚一樣是固着在海洋底下的，這類生物佔主導，它佔了68%。
左：滅絕前右：滅絕後
但是滅絕後這樣一個結構金字塔發生了倒轉，這種游泳類的動物開始佔據主導。為什麼呢？我們在回答這個問題之前，首先看一下都有哪些游泳類的生物在這裏出現。
這個就是滅絕之後發現的一類魚化石。大家可以看到它的復原圖，跟現在的魚長得還是比較像的。
另外一個是牙形類，這是它的微體化石，它的復原圖可以看出也是像魚形狀的一類生物，實際上它不是魚，是一個比較低等的脊椎動物。
從這兩種生物的體形上，我們都能看得出來它們是善於游泳的。
我們再來看這種菊石，現在海洋中已經沒有了，因為它跟恐龍一起徹底滅絕了，但是在這一次滅絕之後還是比較常見的。這些就是我們在野外挖掘的一些化石，從它的復原圖上我們也可以看出它是一個比較兇的捕食者，也是比較善於游泳的。
當然我們都沒見過它，但是我們一定有同志見過它的近親，就是這一類生物，叫鸚鵡螺。這個就是在現代海洋裏面拍的一個短視頻，這一類生物也是善於游泳的。
為什麼善於游泳的生物能在滅絕事件中這麼幸運？我們現在初步是這樣認為的，因為當時的海洋條件是非常差的，到處都不適合生物生存。游泳的生物可以在比較短的時間內逃離這些不好的環境，找到相對舒服一點的環境待着，所以它們可以倖存。所以如果我們想要在大滅絕中活命，我們也要先學會游泳，有機會逃離這些災難。
我們再來看看這一類，叫雙殼，也就是在海邊經常撿到的這些貝殼類。
這類生物它是底棲的，大家可能對它比較熟悉，有一道比較有名的菜叫蒜蓉粉絲扇貝。這一類生物它平時是趴在海洋底下的，也就是説一般情況下它應該不會游泳。這類化石在這段地層中是比較常見的，走到野外就很容易找到。它們是怎麼倖存下來的呢？實際上這類生物它也會游泳，它通過扇動兩瓣殼來游泳。
所以説游泳很重要，連這種平時都不怎麼遊的都學會游泳了。沒辦法，如果不遊它也活不到現在。
我們再來看另外一種比較特殊的，叫腕足動物。跟剛才看到的貝類非常像，但是完全不是一種，這一類是徹底不會游泳的。現在海洋中還有少量的。它們是固着的，它們有一個肉莖，通過肉莖把自己的身體固着在海底，也就是説它這一輩子只生活在一個地方，不會移動的。
實際上這類生物在滅絕後非常少見，我們在全國很多地方去找它的化石，包括西藏，也只找到很少的幾個種少量的標本。但是它又是如何倖存的呢？看一下我們做的一個系統的研究。
我們發現滅絕前這類生物長得比較大，大的可以達到十幾釐米，而滅絕後它們變得非常小，只有一釐米左右，也就是説它讓自己變小以倖存下來。
左：滅絕前右：滅絕後。Chen&Song et al.,2019,Palaeo3
變小可以倖存嗎？可以的。為什麼？大家都知道，個子小或長得比較苗條，一般吃得就比較少，它對食物的需求就少，更為重要的是它對氧氣的需求也變得非常低，所以能在這種極端的環境下倖存下來。所以我們總結一下怎樣才能在滅絕中倖存，就是少吃多游泳。
我們再來看一下大家比較關心的一個問題，什麼原因導致生物大滅絕的呢？
一種比較流行的觀點是地外的小行星或者慧星撞擊地球。這種撞擊肯定會對地球帶來很大的影響。比如説它會帶來磁極倒轉，在陸地上可能會帶來大火，在海洋中可能引發巨型的海嘯，這些肯定會對地球的生物帶來很大的影響。
目前也有科學家發現了當時撞擊的一些證據，其中一個就是這個隕石坑。科學家在澳大利亞西北部發現了這個隕石坑，它的時間是2.5億年前左右，也就是跟滅絕發生的時間差不多。
Becker et al.,2004,Science
然後還找到了其中的一種礦物，叫撞擊石英。
Becker et al.,2004,Science
這種礦物是在高壓高温下形成的礦物，一般僅發生在撞擊的時候，所以它的出現往往代表着這兒有撞擊事件。這些證據表明這裏確實有個撞擊坑，但是這個撞擊跟滅絕有沒有關係呢？我們目前認為沒有太大的關係，可能僅僅是一個小型的撞擊坑，它的質量和速度可能都不夠大，引發不了滅絕。
為什麼這麼説呢？因為恐龍滅絕的時候就是有一個很大的撞擊，這個外星在撞擊地球的時候形成了很多塵埃。就是外星把自己撞碎，撞碎的這些塵埃會飄在地表的大氣中，所以整個地表的大氣都會有這樣外星物質。這些外星物質最後還是要沉積到地球表面，所以在全球各個角落都能發現這些物質，特別是其中的一個元素，銥元素。但是在2.5億年前的很多地層中就沒有發現類似的元素，以及其他的外星物質。
另外一個證據就是我剛才提到的，我們發現生物在這個時候它是在兩個階段滅絕的，這在一定程度上也否認了地外原因。因為外星撞擊一般是巨大的，一般會帶來短時間的快速的一次滅絕。
如果不是外星，那是什麼原因呢？目前還有一種比較主流的觀點，認為是火山。因為當時確實發生了一個超大規模的火山爆發，很有可能是地球形成以來最大規模的一個陸地火山爆發。它位於俄羅斯北部的西伯利亞。
它有多大呢？它噴出來的岩漿形成的這些岩石，佔地有150萬平方公里，厚度有1000米。可能大家沒概念，如果把這些岩漿鋪到我們中國，能把整個中國鋪滿，而且厚度是150米。
這肯定是一個巨大的火山，這麼大的火山肯定對當時的，特別是火山周邊的生物帶來了極端的影響。更為重要的是，伴隨着火山爆發會噴出很多温室氣體，比如二氧化碳、甲烷。這些温室氣體會影響地表氣候，使氣候變得非常不適合生物生存，會對生物帶來致命的影響。
我們已經找到了有關的證據。這個是我的同事孫亞東通過牙形石做的研究，就是剛才我們提到的那一類微化石，它是這類生物的牙齒部位。大家都知道牙齒是我們骨骼中最緻密的一部分，所以即使它形成了化石，它也能保存很多當時的信息。
我們把裏面的化學信息提取出來，恢復了當時的古温度變化，發現平均温度在滅絕的時候升高了十多度，也就是從滅絕前的二十多度升高到了滅絕後的三十多度，而且這個升温跟滅絕是完全同步的，所以很有可能是温度升高引發的這樣一個滅絕。
Sun et al.,2012,Science
而且我也通過對牙形石裏面的微量元素的研究，恢復了當時海洋裏面海水氧含量的變化，發現在滅絕的時候海水的氧氣大量減少，出現缺氧現象。這個事跟這次滅絕也是同步的，所以表明缺氧跟大滅絕也有關。也就是説火山帶來的氣候變化對當時的生物是一個致命的打擊。
Song et al.,2012,EPSL
除了我們剛才提到的這些温室氣體，還有一些其他氣體，比如硫化氫、二氧化硫這些會給陸地帶來酸雨，此外還有氟化氫，這種劇毒氣體，如果噴多了，可以直接導致它們的死亡。
我們當前也面臨着一個類似的情況。大家可能都知道，當前地表正在升温，碳排放正在加劇，所以就有科學家提出，現在會不會再有一次生物滅絕事件，也就是説會不會有第六次生物大滅絕。
這張圖展示的是過去一百多年年平均温度的變化。
Gemiddelde temperatuur 1880–2017
我們可以看出，從1920年到現在，整整一百年，地表的温度已經升高了一度。這一度的升高對地球帶來了影響沒有？不知道大家感覺到了沒有。沒有嗎？也可能有同志感覺到了，夏天空調會用得多一些。
實際上這一度的升温已經對地球帶來了很大的影響，大家看看這張圖，這張圖展示的是來自太平洋一個地方的海水的氧含量，這個藍色的就代表氧含量很低，就是因為這一度的升温，海水低氧帶在過去幾十年正在擴張。
大家可能不知道，海洋裏面的生物90%以上是生活在淺水，也就是200米以上的水域，所以低氧帶一旦擴張到200米附近，對海洋裏面的生物就是一個巨大的打擊。即便是現在這種微弱的擴張，已經對海洋裏面的生物帶來了很嚴重的影響。
我們來看一下，這是海洋裏面的珊瑚，非常好看，五顏六色的。
但是現在有些海域，比如説大堡礁，以及巴哈馬一些區域，裏面的珊瑚已經成這個樣子了，是白色的，我們稱之為珊瑚白化，白化就意味着它已經死亡了。
大家還記不記得我剛才講到2.5億年前的最大滅絕的時候，首當其衝的就是其中的一種珊瑚。所以我們現在的海洋中正在發生的事跟2.5億年前非常類似。
我們再來看一下過去半年，也就是2018年下半年到現在的海洋裏面的珊瑚礁的變化。在這個圖裏面，黃顏色代表生物礁已經受到了影響，紅顏色代表它已經嚴重受到了影響，我們可以看出很多水域裏面的珊瑚礁已經受到了影響。
這是升高一度帶來的變化。我們再來看一看更長時間尺度的，也就是過去兩萬年氣候是怎麼變的。下面這張圖展示的是兩萬年以來温度的變化，可以看到平均温度在過去兩萬年升高了4度。
升高4度帶來什麼影響呢？我們看上面這張圖，這4度的升温讓海平面上升了接近100米。因為温度一升高，位於大陸上的或者兩極地區的冰川會融化，融化的水會流進海洋，導致海平面升高。所以説目前兩萬年4度的升温對應100米的海平面升高，如果我們當前的温度再繼續上升，海平面還會繼續升高。
這張圖是如果海平面上升50米，我們國家的海岸線的變化。大家看一看你們的家鄉，是不是已經在海里了？特別是我們現在在的地方——上海，已經在海里了，因為上海的平均海拔只有幾米。
北京的平均海拔也只有40米，到時候北京也是海了。包括武漢，很多地方都是海，所以説這個氣候變化跟我們人類還是有非常緊密的關係。
這種情況到底會不會發生呢？我們再來看一下這張圖，這張圖展示的是過去40萬年以來温度的變化。大家有沒有看出什麼規律性？它有明顯的週期性，一高一低，一高一低，再一高再一低。
因為我們現在所處的位置就是最高的位置，所以未來如果按照這個規律變化，我們的温度應該是會降低。
如果温度降低，像歐洲、加拿大它們就不願意了。因為它們的地區會再一次形成冰川，被冰川覆蓋。但是我們上海人應該比較願意，到時候海平面再下降，我們就有更多的土地來建房子了。
另外一種情況，就像過去一百年，我們過去一百年不是升高了一度嗎？如果按照這個速率，未來幾百年、一千年就會升高接近10度。如果是這種情況，那很有可能會引發第六次生物大滅絕。
所以到底是哪種情況呢？目前還不好説，但是已經有一個信號了。大家可以看看這張圖，這張圖展示的是過去40萬年以來温度跟二氧化碳的曲線。
大家看出來什麼規律沒有？這兩條曲線長得非常像，變化基本是一致的，也就是説我們的温度的變化主要是受控於二氧化碳濃度的變化。
但是現在有一個不好的消息是，我們現在的二氧化碳濃度已經上升到了一個比較可怕的值，這個值已經偏離了過去40萬年以來的最高值，所以説這很有可能意味着我們的温度也會偏離這個週期規律。
但不管怎麼説我們都要愛護我們的地球，保護環境，否則我們要想跟東方明珠塔合個影都很吃力。
好，謝謝大家。
【文章轉載自微信公眾號：一席（ID：yixiclub），觀察者網已獲授權轉載。】