4.6億年前，生物大輻射被誰按下“暫停鍵”

◎本報記者 張 曄

距今約4.6億年的奧陶紀大輻射，是地球歷史上規模最大的生物輻射事件之一。

但是，最新的高分辨率生物多樣性曲線表明，華南種一級的生物多樣性在生物大輻射峯值之後出現近50%的降低，這引起了地質學家的重視。是什麼原因導致奧陶紀生物大輻射出現逆轉？

最近，中國科學院南京地質古生物所張俊鵬博士、張元動研究員與國外同行合作研究發現，奧陶紀氣候變冷期的缺氧海水擴張，可能是大輻射期間生物多樣性達到峯值之後發生明顯轉折的誘因。相關研究成果發表在國際刊物《地球與行星科學快報》上。

海洋生命的“黃金繁育期”突然中止

距今約4.6億年的奧陶紀中葉，是地質歷史上“寒武紀生命大爆發”之後海洋生命的又一個“黃金繁育期”。大氣二氧化碳含量持續下降，地球走出長達數千萬年的温室氣候。該時期，氧氣含量出現了階段性增長，一度達到了現代大氣中氧氣水平的一半，導致表層海水幾乎徹底氧化。

由此造成的後果是，海洋生物多樣性劇增，生態系統逐漸趨於複雜和穩定。與此同時，早期陸地植物也紛紛開啓了它們的陸地開荒之旅。

當時的低緯度海域表層海水平均温度約為25—30℃，與現代赤道氣候十分接近。處於低緯度地區的大陸架，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境。因此，在這些板塊奧陶紀保存下的沉積岩中，人們發現了三葉蟲、腕足類、頭足類、筆石、幾丁蟲等大量的古生物化石標本。

在古生物學研究中，通過確定這些化石的屬種並統計其多樣性，繪製出生物多樣性曲線，發現海洋生物多樣性在中奧陶世達瑞威爾期出現峯值，這一現象被稱為“奧陶紀生物大輻射”。

對於“奧陶紀生物大輻射”，前人曾提出氣候變冷、大氣氧化、海平面上升，甚至包括地外因素如小行星分解等多種成因假説。

在2018年前，科學家繪製的生物多樣性曲線都是以階或者期為時間單位，分辨率較低。但是，樊雋軒教授及鄧怡穎博士採用CONOP和超算方法，在實現高分辨率的生物多樣性曲線後，發現該時期的生物多樣性在峯值之後出現了一個較大幅度的下降。

“現在的華南地區在北緯30度左右，而奧陶紀時華南地區則在北緯0—10度左右。”張俊鵬説，“生物多樣性峯值之後的轉折及其環境背景機制，一直沒有得到深入研究。我們做的相關研究就是要將氣候變冷期的缺氧事件和多樣性下降聯繫起來。”

缺氧海水擴張或是背後“元兇”

張俊鵬博士、張元動研究員在與國外同行深入研究後發現，奧陶紀的開闊大洋深部並未大範圍氧化。氣候變冷期的缺氧海水擴張，可能是多樣性出現明顯轉折的誘因。

支持這種觀點的最新證據，來自華南地區中—上奧陶統黑色頁岩。該類型的頁岩主要分佈於我國湖南、江西、浙江、安徽等地。無獨有偶，同時代的黑色頁岩還包括我國塔里木地區的薩爾幹組與華北鄂爾多斯地區的烏拉力克組等。

張俊鵬介紹，這些黑色頁岩，均形成於容易被上升洋流影響的中低緯度近海盆地。和現代海洋類似，氣候變冷時，來自高緯度的深部冷流就會增強，上升洋流回攜帶更多營養鹽到達中低緯度的陸棚區，從而刺激表層海水生產力增高，導致向下輸出的有機質增多。到達海底的有機質分解時消耗大量溶解氧，進而造成海底缺氧現象。

這些缺氧海水，尤其是硫化氫和重金屬富集的海水，會伴隨上述效應的增強而發生擴張，沿陸棚進入淺水環境時影響水體生態。張俊鵬告訴記者，這一現象和現代湖泊的“赤潮”類似，但影響範圍更大，持續時間更長，因此對海洋生態系統的破壞也更嚴重。

從全球尺度來看，越來越多的地質證據表明，奧陶紀的海洋深部並未被大範圍氧化，且頻繁地發生缺氧海水擴張，並上湧危害透光層的現象。

晚寒武世，大氣二氧化碳濃度異常，可達現代大氣水平的15—20倍。温室氣候下的海洋水體循環速率緩慢，易出現海水分層化、底水缺氧現象。進入奧陶紀，這一效應雖然得到緩解，但海洋的氧化相較於大氣氧化，存在較大滯後性。因此，中—晚奧陶世的海洋中頻繁出現的海洋缺氧現象，一直在影響海洋生物羣落的繁盛。當這種影響嚴重時，往往會表現為海洋生物多樣性的大幅下降。

“我們今天關注的‘全球變暖’和‘雙碳戰略’，即為控制二氧化碳等温室氣體的排放和存儲，以保證其在地球表層圈層的動態平衡。但需要我們注意的是，地球打破氣候穩態時出現的一系列氣候、陸地、海洋的劇烈環境變化、伴隨的地質災害及上述現象對生態系統的影響，要比單純的氣温升高帶來的影響更嚴重。” 張俊鵬説，關注地質歷史時期的“碳”，以古論今，以古鑑今，有助於我們踐行於今天、澤被於明天。