本報記者 陸成寬

　　近日，《自然·通訊》報道了一項關(guān)于奧陶紀(jì)末生物大滅絕的研究成果，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈延安研究團隊發(fā)現(xiàn)，在奧陶紀(jì)末生物滅絕事件的過程中硫同位素產(chǎn)生了非質(zhì)量分餾，提出“平流層火山噴發(fā)”是奧陶紀(jì)末生命滅絕事件的驅(qū)動機制。

　　長久以來，奧陶紀(jì)末生物大滅絕事件的原因一直是個謎，科學(xué)家曾提出冰川事件、火山爆發(fā)以及伽馬射線暴等多種解釋，但具體的驅(qū)動機制目前學(xué)界尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識。

　　冰川事件遭受氣候變冷和氣候變暖“雙重打擊”

　　奧陶紀(jì)是古生代的第二個紀(jì)，氣候溫和，淺海分布廣泛，現(xiàn)今1/3的陸地當(dāng)時被淺海覆蓋，海平面比現(xiàn)在高出400米，是地球歷史上海侵最嚴(yán)重的時代。這一時期，海生生物空前發(fā)展，腕足動物、三葉蟲、珊瑚、筆石等迅速演化，科學(xué)界稱之為“奧陶紀(jì)生物大輻射事件”，原始的脊椎動物開始出現(xiàn)，陸地上除了很低等的植物，沒有任何動物生存。

　　發(fā)生在大約4.4億年前的奧陶紀(jì)末生命大滅絕，是地球自寒武紀(jì)生物大爆發(fā)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(dāng)時的海洋生物遭遇了滅頂之災(zāi)。像珊瑚、腕足動物、三葉蟲等生物門類的多個類群幾乎“全軍覆滅”，這次大滅絕重創(chuàng)了海洋生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致當(dāng)時85%的海洋生物物種滅絕�？茖W(xué)界普遍認(rèn)為，導(dǎo)致這場災(zāi)難的罪魁禍?zhǔn)拙褪菉W陶紀(jì)末的冰川事件。

　　關(guān)于奧陶紀(jì)末生命大滅絕，以前主導(dǎo)的觀點是將兩幕式生物滅絕與當(dāng)時冰期的開始和消融聯(lián)系起來。長期以來，這次大滅絕事件的基本過程被描述為兩幕式：第一幕起因于凱迪—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布；第二幕則由于赫南特晚期冰川消融，導(dǎo)致早前的涼水動物整體消亡。

　　“具體來說，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(dǎo)致海洋動物生存空間縮小，其結(jié)果是部分動物往海洋深部遷移并適應(yīng)深部生存環(huán)境，但相當(dāng)一部分動物因為對深部海洋生存環(huán)境的適應(yīng)性較差而消亡。在持續(xù)大約100萬年之后，冰川開始消融，全球海平面迅速升高，氣候變暖，從而導(dǎo)致海洋缺氧。海洋內(nèi)氧氣的缺乏直接對奧陶紀(jì)末生命造成毀滅性的打擊�！鄙蜓影哺嬖V科技日報記者。

　　真核藻類大爆發(fā)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(fā)的氣候、海洋環(huán)境變化，導(dǎo)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(fā)生仍是個謎。

　　2018年，美國哈佛大學(xué)地球與行星科學(xué)系安·皮爾遜課題組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈延安研究團隊合作在《自然·地球科學(xué)》上發(fā)表論文稱，研究發(fā)現(xiàn)，海洋真核藻類的大爆發(fā)，或觸發(fā)赫南特冰期，并間接導(dǎo)致奧陶紀(jì)末期生物的集體滅絕。

　　研究人員以美國內(nèi)華達州維尼溪奧陶—志留紀(jì)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(xì)的野外考察并進行了高密度的樣品采集工作，在此基礎(chǔ)上中美合作團隊開展了氮同位素的研究工作。研究結(jié)果顯示，在奧陶紀(jì)末期，由于陸地大量維管植物首次出現(xiàn)與擴張，增強了大陸風(fēng)化作用，導(dǎo)致海洋中生物可利用的限制性營養(yǎng)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(jié)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(nèi)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(qū)動因素。

　　此外，還有研究人員認(rèn)為，伽馬射線暴導(dǎo)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(nèi)突然增強，隨后又迅速減弱的現(xiàn)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。伽馬射線是波長小于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(xué)家通過計算發(fā)現(xiàn)強大的伽馬射線暴能夠殺死一定范圍內(nèi)的宇宙生命。奧陶紀(jì)大滅絕是地球5大歷史事件之一，導(dǎo)致海洋物種數(shù)量急劇下降。有證據(jù)表明，這一巨變發(fā)生在冰河時代，而伽馬射線暴可能是觸發(fā)此次大規(guī)模滅絕事件的原因之一。

　　平流層火山噴發(fā)觸發(fā)全球氣候劇變和海洋環(huán)境惡化

　　“但是近年來科學(xué)家們通過全球范圍內(nèi)詳細(xì)的野外考察和研究發(fā)現(xiàn)，奧陶紀(jì)末冰川期的開始和結(jié)束并沒有與兩幕式生命滅絕在時間上高度一致，因此將奧陶紀(jì)末生命大滅絕的原因與冰川的開始和消融直接聯(lián)系起來受到了質(zhì)疑�！敝袊�科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院副研究員胡東平說道。

　　針對這一科學(xué)問題，研究人員開辟了新的研究思路。他們對華南奧陶紀(jì)末生命滅絕地層中的黃鐵礦進行了高精度同位素分析，發(fā)現(xiàn)伴隨著奧陶紀(jì)末火山的噴發(fā)，硫同位素出現(xiàn)非質(zhì)量分餾，當(dāng)火山活動減弱和停滯后，硫同位素又呈現(xiàn)質(zhì)量分餾�！皧W陶紀(jì)末非質(zhì)量硫同位素記錄的發(fā)現(xiàn)是有地質(zhì)記錄以來的首次報道。因此，我們提出奧陶紀(jì)末火山活動為‘平流層火山噴發(fā)’，觸發(fā)和驅(qū)動了當(dāng)時的生命大滅絕事件。也就是說‘平流層火山噴發(fā)’扣動了奧陶紀(jì)末生命滅絕的‘扳機’�！鄙蜓影舱f。

　　該研究認(rèn)為，奧陶紀(jì)末“平流層火山噴發(fā)”將大量二氧化硫、硫化氫和其他火山物質(zhì)輸送至平流層并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(tǒng)的熱量平衡起著至關(guān)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(dǎo)致地球表面溫度下降。也就是說，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(fā)的二氧化硫等含硫氣體經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生硫同位素的非質(zhì)量分餾，并形成硫酸鹽等沉降至地表和海洋中，最后保存于巖石中。經(jīng)過短暫的冷卻之后，“平流層火山噴發(fā)”釋放大量溫室氣體使地表溫度迅速升高并形成酸雨，導(dǎo)致陸地和海洋酸化以及海洋缺氧。因此，他們認(rèn)為，“平流層火山噴發(fā)”觸發(fā)和驅(qū)動的一系列全球氣候劇烈變化和海洋缺氧等環(huán)境惡化，直接導(dǎo)致了奧陶紀(jì)末生命大滅絕。

　　在沈延安看來，該項研究對現(xiàn)代全球氣候變化有重要的啟示作用。衛(wèi)星觀察數(shù)據(jù)表明，近50年來平流層的硫酸鹽濃度不斷升高，一種觀點認(rèn)為是人類活動排放含硫氣體造成的，也有研究認(rèn)為是現(xiàn)代火山不斷噴發(fā)導(dǎo)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(xué)問題提供有力的手段。