奧陶紀末生物大滅絕新證據暗示火山噴發是“最大嫌疑人”

本報記者 陸成寬

近日，《自然·通訊》報道了一項關於奧陶紀末生物大滅絕的研究成果，中國科學技術大學沈延安研究團隊發現，在奧陶紀末生物滅絕事件的過程中硫同位素產生了非質量分餾，提出“平流層火山噴發”是奧陶紀末生命滅絕事件的驅動機制。

長久以來，奧陶紀末生物大滅絕事件的原因一直是個謎，科學家曾提出冰川事件、火山爆發以及伽馬射線暴等多種解釋，但具體的驅動機制目前學界尚未形成統一認識。

冰川事件 遭受氣候變冷和氣候變暖“雙重打擊”

奧陶紀是古生代的第二個紀，氣候温和，淺海分佈廣泛，現今1/3的陸地當時被淺海覆蓋，海平面比現在高出400米，是地球歷史上海侵最嚴重的時代。這一時期，海生生物空前發展，腕足動物、三葉蟲、珊瑚、筆石等迅速演化，科學界稱之為“奧陶紀生物大輻射事件”，原始的脊椎動物開始出現，陸地上除了很低等的植物，沒有任何動物生存。

發生在大約4.4億年前的奧陶紀末生命大滅絕，是地球自寒武紀生物大爆發以來最古老的生物滅絕事件，也是地球5.4億年來第二大生命滅絕事件。當時的海洋生物遭遇了滅頂之災。像珊瑚、腕足動物、三葉蟲等生物門類的多個類羣幾乎“全軍覆滅”，這次大滅絕重創了海洋生態系統，導致當時85%的海洋生物物種滅絕。科學界普遍認為，導致這場災難的罪魁禍首就是奧陶紀末的冰川事件。

關於奧陶紀末生命大滅絕，以前主導的觀點是將兩幕式生物滅絕與當時冰期的開始和消融聯繫起來。長期以來，這次大滅絕事件的基本過程被描述為兩幕式：第一幕起因於凱迪—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佈；第二幕則由於赫南特晚期冰川消融，導致早前的涼水動物整體消亡。

“具體來説，就是冰期開始的時候全球海平面下降，氣候變冷，這一全球氣候的突然變化直接導致海洋動物生存空間縮小，其結果是部分動物往海洋深部遷移並適應深部生存環境，但相當一部分動物因為對深部海洋生存環境的適應性較差而消亡。在持續大約100萬年之後，冰川開始消融，全球海平面迅速升高，氣候變暖，從而導致海洋缺氧。海洋內氧氣的缺乏直接對奧陶紀末生命造成毀滅性的打擊。”沈延安告訴科技日報記者。

真核藻類大爆發 海洋“吸收”有機碳致大氣CO2濃度急降

雖然長期以來，赫南特冰期及其引發的氣候、海洋環境變化，導致生物大滅絕是國際上較為主流的觀點，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生仍是個謎。

2018年，美國哈佛大學地球與行星科學系安·皮爾遜課題組與中國科學技術大學沈延安研究團隊合作在《自然·地球科學》上發表論文稱，研究發現，海洋真核藻類的大爆發，或觸發赫南特冰期，並間接導致奧陶紀末期生物的集體滅絕。

研究人員以美國內華達州維尼溪奧陶—志留紀典型剖面為研究對象。沈延安團隊首先對該剖面進行了詳細的野外考察並進行了高密度的樣品採集工作，在此基礎上中美合作團隊開展了氮同位素的研究工作。研究結果顯示，在奧陶紀末期，由於陸地大量維管植物首次出現與擴張，增強了大陸風化作用，導致海洋中生物可利用的限制性營養元素十分充裕。這為加速浮游植物的生長、繁殖提供了有力的條件。

氮同位素的研究結果證明了在赫南特冰期之前，真核藻類迅速擴張，大量有機碳迅速被埋藏在海洋中，致使大氣中二氧化碳濃度短時間內急劇下降，這是此次赫南特冰期和生物大滅絕事件的重要驅動因素。

此外，還有研究人員認為，伽馬射線暴導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度在短時間內突然增強，隨後又迅速減弱的現象。伽馬射線暴的時間不長，通常只有幾十秒，能量主要來自伽馬射線。伽馬射線是波長小於0.1納米的電磁波，是一種比X射線能量還高的輻射。物理學家通過計算發現強大的伽馬射線暴能夠殺死一定範圍內的宇宙生命。奧陶紀大滅絕是地球5大歷史事件之一，導致海洋物種數量急劇下降。有證據表明，這一鉅變發生在冰河時代，而伽馬射線暴可能是觸發此次大規模滅絕事件的原因之一。

平流層火山噴發 觸發全球氣候劇變和海洋環境惡化

“但是近年來科學家們通過全球範圍內詳細的野外考察和研究發現，奧陶紀末冰川期的開始和結束並沒有與兩幕式生命滅絕在時間上高度一致，因此將奧陶紀末生命大滅絕的原因與冰川的開始和消融直接聯繫起來受到了質疑。”中國科學技術大學地球和空間科學學院副研究員胡東平説道。

針對這一科學問題，研究人員開闢了新的研究思路。他們對華南奧陶紀末生命滅絕地層中的黃鐵礦進行了高精度同位素分析，發現伴隨着奧陶紀末火山的噴發，硫同位素出現非質量分餾，當火山活動減弱和停滯後，硫同位素又呈現質量分餾。“奧陶紀末非質量硫同位素記錄的發現是有地質記錄以來的首次報道。因此，我們提出奧陶紀末火山活動為‘平流層火山噴發’，觸發和驅動了當時的生命大滅絕事件。也就是説‘平流層火山噴發’扣動了奧陶紀末生命滅絕的‘扳機’。”沈延安説。

該研究認為，奧陶紀末“平流層火山噴發”將大量二氧化硫、硫化氫和其他火山物質輸送至平流層並形成了以硫酸鹽為主的氣溶膠層。硫酸鹽氣溶膠層對全球氣候變化和地球系統的熱量平衡起着至關重要的作用，因為平流層硫酸鹽氣溶膠反射短波的太陽輻射、同時吸收長波段的太陽輻射，從而導致地球表面温度下降。也就是説，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，火山噴發的二氧化硫等含硫氣體經光化學反應產生硫同位素的非質量分餾，並形成硫酸鹽等沉降至地表和海洋中，最後保存於岩石中。經過短暫的冷卻之後，“平流層火山噴發”釋放大量温室氣體使地表温度迅速升高並形成酸雨，導致陸地和海洋酸化以及海洋缺氧。因此，他們認為，“平流層火山噴發”觸發和驅動的一系列全球氣候劇烈變化和海洋缺氧等環境惡化，直接導致了奧陶紀末生命大滅絕。

在沈延安看來，該項研究對現代全球氣候變化有重要的啓示作用。衞星觀察數據表明，近50年來平流層的硫酸鹽濃度不斷升高，一種觀點認為是人類活動排放含硫氣體造成的，也有研究認為是現代火山不斷噴發導致的。很顯然，高精度的硫同位素分析能夠為探討這一重要科學問題提供有力的手段。