温室效应引起生物大灭绝

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哲学家兼历史学家托马斯·S·库恩(Thomas S. Kuhn)曾经指出,科学秩序很像有机生物体:它们并不是缓慢而连续地进化,而是在很长一段时间内保持稳定,然后被罕见的突然变革打断——对生物体来说,这种变革就是新物种的出现;对科学而言,变革则是新理论的提出。这种描述特别适合我的研究领域——生物大灭绝的原因与结果。生物大灭绝就是生物界的周期性剧变——地球上大部分生命消失,此后再也没有出现过任何相同的生物。

200多年前,人们首次认识到历史上发生过生物大灭绝事件。古生物学家曾经相信,生物大灭绝是一个逐渐发生的过程,是气候变化和捕食、竞争及疾病等生物因素综合作用的结果。但是,对生物大灭绝的理解在1980年经历了一场“库恩式”革命:那一年,美国加利福尼亚大学伯克利分校的地质学家沃尔特·阿尔瓦雷斯(Walter Alvarez)领导的研究小组指出,著名的恐龙灭绝事件是在6,500万年前的一场生态灾难中迅速发生的,当时一颗小行星撞击了地球,引发了这场大灾难。随后20年间,人们广泛接受了来自太空的火流星(bolide)可以重创地球上大部分生命的观点;许多研究人员最终认为,在5次最大规模的生物灭绝事件中,至少有3次可能是宇宙碎石造成的。随着《天地大冲撞》(Deep Impact)和《世界末日》(Armageddon)等好莱坞灾难大片的上映,公众明确地接受了这种观点。

作者 海云青飞:哲学家,生命科学家,传统文化第一人,唯一悟道者 《悟道相对论》《中医有毒吗》《黄帝内经是真的吗》《父母怎么教育孩子》

现在,对生命断续历史的认识正酝酿着另一场转变。新的地质化学证据正从大量岩层中涌现出来,它们记录着生物大灭绝的真相。科学家在那里发现了激动人心的化学残余——这些被称为有机生物标记(organic biomarker)的证据,是由通常无法留下化石的微小生命形式产生的。这些资料清晰地揭示,在造成生物大灭绝的原因之中,灾难性小行星撞击只是特例,而不是普遍规则。大多数情况下,地球本身似乎以人们不曾想象的方式成为生命的宿敌。目前,人类活动可能正再度把生物圈(biosphere)置于危险之中

小行星撞击地球?

20多年来,科学家们一直认为,小行星撞击地球导致了一半以上的生物大灭绝事件,种种发现似乎也支持这一观点。事实果真如此吗?

为了理解人们对小行星撞击模式的普遍热情,回顾一下燃起这种热情的证据当然十分有益。撞击模式由阿尔瓦雷斯本人、他的父亲物理学家路易·W·阿尔瓦雷斯(Luis W. Alvarez)以及两位核化学家——海伦·V·米歇尔(Helen V. Michel)和弗兰克·阿萨罗(Frank Asaro)共同提出,它包括两个不同的假设:首先,一颗直径约为10千米的小行星,在6,500万年前撞击了地球;其次,撞击产生了严重的后果,使一半以上的物种灰飞烟灭。他们在厚厚的铱层中发现了那场撞击留下的痕迹:含铱的尘埃当时撒满了地球——这种元素在地球上颇为稀少,但在地外物质中却比较常见。

这个惊人观点发表不到10年,人们就发现了撞击灾难的直接证据——“奇科苏卢布”陨石坑(Chicxulub crater),它就隐藏在墨西哥的尤卡坦半岛。这一发现消除了长久以来的疑问,为恐龙王国是否毁于一场天地大冲撞给出了肯定的答案。同时,它又对其他生物大灭绝事件提出了新的疑问:如果这次灭绝是由撞击引起的,那么其他几次又怎样呢?过去5亿年间,发生了5次让大多数地球生命形式彻底消失的事件:第一次发生在奥陶纪(Ordovician)末期,距今约4.43亿年;第二次发生在3.74亿年前,接近泥盆纪(Devonian)末期;规模最大的一次则发生在二叠纪(Permian)末期,距今2.51亿年,当时90%的海洋生物和70%的陆地动植物(甚至昆虫)都毁于一旦[参见《科学美国人》1996年 7月号道格拉斯·H·欧文所著《生物大灭绝的起源》一文];三叠纪(Triassic)末期,全球性生物灭绝的惨剧再次上演,距今2.01亿年;最后一次生物大灭绝发生在6,500万年前,也就是前面提到的、发生在白垩纪(Cretaceous)末期的那场天地大冲撞。

20世纪90年代初期,古生物学家戴维·劳普(David Raup)发表了著作——《生物灭绝:坏基因还是坏运气?》(Extinctions: Bad Genes or Bad Luck?)。他在书中大胆预测,人们最终可能会发现,撞击是所有生物大灭绝和其他毁灭性稍弱的生物灭绝事件的罪魁祸首。在白垩纪和第三纪之间的地质界线(K/T界线,白垩纪和第三纪的交界称作“K/T”,所以这条地质界线就是“K/T界线”)中找到的撞击证据,当然很有说服力:“奇科苏卢布”陨石坑、清晰的铱层以及撞击碎片(包括受到撞击压力冲击散落到世界各地的石块),无不证明了撞击事件的发生。古代沉积物中还有更多的化学线索,它们记录了地球大气成分及气候随后发生的迅速变化。

对其他几个生物灭绝时期而言,证据也似乎指向“天上”。20世纪70年代初期,地质学家已经将一层薄薄的铱层与泥盆纪末期的生物灭绝联系了起来。到了 2002年,其他发现揭示了三叠纪末期和二叠纪末期发生的撞击。三叠纪地质层中也找到了微量的铱元素。对于二叠纪而言,人们认为,独特的“碳笼”分子(buckyball)包含了捕获的地外气体,这又增添了一条令人激动的线索[参见《科学美国人》2002年3月号鲁安·贝克尔所著《重复撞击》一文]。因此,许多科学家开始推测,在5次生物大灭绝中,有4次是由小行星或彗星撞击地球引起的。唯一的例外是奥陶纪末期的生物大灭绝,科学家已经断定,这一事件是我们邻近宇宙中的一颗恒星发生爆炸所产生的致命辐射的结果。

然而近年来,随着研究人员继续探寻挖掘资料,他们发现一些现象无法解释。新的化石分析指明,二叠纪和三叠纪的生物大灭绝是个漫长的过程,历时数十万年。新近获得的、有关大气碳含量水平升降(即碳循环)的证据似乎也表明,生物圈遭受了一系列长期的环境恶化,而不是一次性撞击带来的突发性灾变。

突然死亡,还是缓慢消亡? 如果造成生物大灭绝的真凶不是突然撞击地球的小行星,那么究竟会是什么呢?种种新发现的证据表明,真凶很可能就是地球本身!

K/T界线事件的启示在于,大型天体撞击就像一场把城市夷为平地的强烈地震:毁灭性灾难突如其来、倏忽即逝——地震过后,城市很快就得以重建。K/T界线灭绝事件的碳同位素数据和化石记录,都反映了毁灭和随后的恢复速度,不过科学界颇费了一番功夫,才证明了灾难之后的恢复速度。从钙质和硅质浮游生物以及植物孢子的化石上,也就是在那些体积最小而数量又最多的化石中,的确可以明显地看到,K/T界线上的生物如预期的一样,出现了突然消亡殆尽的现象。但是,一个种群中的化石越大,灭绝的步伐似乎就越平缓。

古生物学家逐渐认识到,他们研究的大多数土壤和岩石层缺乏大型化石样本,影响了他们从中得出的生物灭绝模式。为了解决采样不完善带来的问题,也为了描绘一幅更清晰的生物灭绝进程图景,美国哈佛大学的古生物学家查尔斯·马歇尔(Charles Marshall)提出了一种新的统计方法,用来分析化石的分布。通过确定一个特定物种在给定时间内的灭绝概率,使用这种分析方法,即使是非常稀有的化石,也能解读出最多的信息。

1996年,我和马歇尔联手在K/T界线地层剖面测试了他的统计方法。我们最终证明,那些过去看起来像是逐渐灭绝的、数量最丰富的较大型海洋动物——欧洲的菊石(ammonite,与具有壳室的鹦鹉螺有亲缘关系的软体动物化石)其实是在K/T界线突然消失的,而不是连贯的。但是,当几位研究人员(也包括我自己)将新方法应用到更早的生物灭绝事件中时,得出的结果却大相径庭。我的小组研究了代表二叠纪和三叠纪最晚期的海相和非海相环境的地质层,结果表明,集中在这些地质界线附近发生的,是一系列消亡过程更加平缓的生物灭绝序列。

这种灭绝模式还在碳同位素记录中得到了印证。碳同位素记录是了解生物灭绝速率的又一种强有力的工具。碳原子有3种同位素,原子核中的中子数量略有不同。许多人都熟悉其中一种同位素——碳14,因为人们常用它的衰变来测定特定化石骨骼或古沉积物样本的年代。不过,地质记录中可以找到一种更加有用的信息,来解释生物大灭绝事件,那就是碳12和碳13的同位素比例,它有助于人们更全面地认识当时的植物生命力。

原因在于,光合作用(photosynthesis)在很大程度上决定了碳12/碳13比例的变化。植物利用太阳的能量把二氧化碳分解为有机碳,又利用有机碳来构造细胞,为自身提供能量——对于我们动物来说,这是值得高兴的事情,因为游离氧是光合作用的副产物。但是,植物是挑剔的,它们优先选择含碳12的二氧化碳。因此,无论是营光合作用的微生物、浮游的藻类,还是高大树木,当这些植物生命力旺盛、数量众多的时候,留在大气中的二氧化碳就包含了比例更高的碳13,而大气中的碳12则会明显减少。

通过检测生物大灭绝之前、之中和之后的碳同位素比例,研究人员可以得到海洋和陆地植物形体总量的可靠指标。研究人员把K/T界线灭绝事件的碳同位素比例绘制成图,一种简单的模式就呈现在我们面前。碳同位素比例的改变与所谓的撞击层(包括许多矿物碎片证据的地质层)几乎同时出现:短时间内,碳13急剧下降。这个结果表明,当时的植物突然间几乎消亡殆尽,后来又迅速恢复。这个发现与较大的陆地植物和海洋微型浮游生物的化石记录完全一致,这些生物在K/T界线灭绝事件中损失惊人,但很快得以恢复。

我的小组在2005年初揭露的二叠纪碳记录,以及最近揭露的三叠纪碳记录无不证明,在那两次生物大灭绝事件中,植物和浮游生物经历了一段与K/T界线灭绝截然不同的命运。在那两次灭绝事件中,同位素比例在超过5万年到10万年的时间间隔内,发生了不止一次的改变,这表明植物群落消失了,随后得以恢复,结果又遭到一系列灭绝事件的一再打击[参见前页图注]。要产生这种灭绝模式,可能需要在数千年的时间间隔内,发生一连串的小行星撞击事件才行。但是,没有任何矿物学证据表明,在那两个生物大灭绝时期内,曾经发生过一连串的小行星撞击。

事实上,关于那两个时期是否发生过撞击事件,对证据的进一步调查也已经提出了疑问。在二叠纪末期的地质界线中,其他任何研究小组都没能再次发现包含着地外气体的碳笼。有关在那个时期的地层中发现受到冲击的石英矿物的消息,也已经宣布取消。至于人们推测的、位于澳大利亚附近深海和南极冰层下面的“陨石坑”,它们究竟是真正的陨石坑,还是仅仅是自然岩层,地质学家们也尚未定论。就三叠纪末期而言,地层中发现的铱浓度实在太低,它也许反映了一颗较小的小行星对地球的撞击,但规模绝不可能引发K/T界线上出现的那种全球性生物灭绝事件。然而,如果撞击不是造成这些大灭绝的原因,那么究竟是什么导致了生物的大规模死亡呢?新一类证据表明,地球本身就可以消灭栖息在它上面的生物,而且这样的惨剧可能已经发生过了。

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温室效应 生物大灭绝真凶? 2006-11-10 《环球科学》2006年第11期

撰文 彼得·D·沃德(Peter D. Ward)

翻译 冉隆华

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