曲布剖面二疊—三疊系過(guò)渡地層中發(fā)現(xiàn)的花粉化石(受訪者供圖)

　　2.52億年前的二疊紀(jì)末大滅絕造成了約81%的海洋物種和89%的陸地物種滅絕，其主要原因被認(rèn)為是大規(guī)模火山噴發(fā)導(dǎo)致的環(huán)境變化，但仍缺乏環(huán)境因素影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的直接證據(jù)。

　　近期，中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員劉鋒與英國(guó)、德國(guó)同行合作，通過(guò)研究該時(shí)期化石花粉粒中“防曬霜”含量的變化，發(fā)現(xiàn)臭氧層破壞導(dǎo)致二疊紀(jì)末陸地生物大滅絕的直接證據(jù)。相關(guān)研究成果1月6日在線發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)。

　　為什么古老的花粉粒中會(huì)有“防曬霜”呢？這些“防曬霜”又是如何揭示二疊紀(jì)末大滅絕期間的全球臭氧層破壞的呢？

　　“防曬霜”含量反推紫外線輻射強(qiáng)度

　　二疊紀(jì)末期的大滅絕事件是顯生宙最大一次滅絕事件。已有的研究發(fā)現(xiàn)，二疊紀(jì)末期西伯利亞大火成巖省的噴發(fā)造成的全球溫室氣體增加，全球變暖以及海洋酸化可能是引起這次滅絕的主要誘因。

　　然而，對(duì)于這些環(huán)境因素如何影響陸地生態(tài)系統(tǒng)目前還有很多爭(zhēng)論。

　　孢粉學(xué)相關(guān)研究人員在陸相二疊—三疊紀(jì)過(guò)渡剖面發(fā)現(xiàn)了一些畸形孢子和花粉，推測(cè)這些畸形孢子或花粉可能跟由西伯利亞大火成巖省噴出的鹵族元素相關(guān)，其造成全球臭氧層破壞，進(jìn)而誘發(fā)紫外線輻射增加，引起畸形。

　　相關(guān)研究人員通過(guò)對(duì)現(xiàn)代植物中產(chǎn)出的畸形孢子和花粉的研究表明，這些畸形花粉和孢子產(chǎn)生的環(huán)境背景十分復(fù)雜，干旱、空氣污染以及植物體的外傷都有可能誘發(fā)植物體產(chǎn)生畸形孢子或花粉。

　　但劉鋒告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“單憑在陸相二疊—三疊紀(jì)過(guò)渡剖面發(fā)現(xiàn)的少量畸形孢子和花粉，并不能直接證明二疊紀(jì)末期大滅絕期間存在全球臭氧層空洞引起的紫外線輻射增加。”

　　植物體需要陽(yáng)光進(jìn)行光合作用，為植物體生長(zhǎng)提供能量，但又要避免陽(yáng)光中有害的紫外線對(duì)植物體特別是植物生殖細(xì)胞(孢子和花粉)中遺傳信息的破壞。為了適應(yīng)陸地輻射環(huán)境，陸生植物演化出了一些調(diào)控機(jī)制，以減少紫外線對(duì)植物體的傷害。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，在植物體的生殖細(xì)胞中這種機(jī)制表現(xiàn)為，植物的孢子和花粉的外壁中含有大量功能與“防曬霜”十分相似的化合物(香豆酸和阿魏酸)，這些化合物可形成共振穩(wěn)定的酚自由基，抵抗紫外線引起的氧化作用，從而保護(hù)脆弱的孢子和花粉，為陸生植物的傳播和繁衍提供了保障。

　　植物學(xué)家已經(jīng)觀察到現(xiàn)代植物體可以根據(jù)周圍的紫外線輻射環(huán)境，自動(dòng)調(diào)節(jié)其生殖細(xì)胞外壁“防曬霜”的含量，同時(shí)這些“防曬霜”可以在惰性的孢子和花粉外壁中保存很長(zhǎng)時(shí)間�！袄碚撋�，我們可以通過(guò)對(duì)這些孢子和花粉中‘防曬霜’含量的測(cè)定，反推地質(zhì)歷史時(shí)期大氣紫外線輻射強(qiáng)度。”劉鋒說(shuō)。

　　顯微鏡下手動(dòng)挑選1011粒花粉化石

　　劉鋒帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用傅里葉變換紅外光譜，對(duì)產(chǎn)自我國(guó)西藏日喀則市扎西宗鄉(xiāng)曲宗村曲布剖面，即二疊——三疊紀(jì)過(guò)渡剖面的1011粒阿里型花粉中的香豆酸和阿魏酸進(jìn)行了定量測(cè)量，通過(guò)對(duì)這些花粉產(chǎn)出的紅外光譜的大數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在二疊紀(jì)末大滅絕期間地層中花粉外壁的香豆酸和阿魏酸含量明顯高于滅絕前后化石花粉中該化合物的含量，直接證明了二疊紀(jì)末期大滅絕期間存在全球紫外線輻射增加的現(xiàn)象。

　　“在孢粉保存的過(guò)程中，會(huì)不會(huì)混入其它物質(zhì)影響研究結(jié)果呢？”面對(duì)記者的提問(wèn)，劉鋒解釋道：孢粉保存的過(guò)程中有可能會(huì)混入一些無(wú)機(jī)物，主要是物理的侵入，但混入有機(jī)物的可能性非常小，因?yàn)殒叻鄣耐獗谑悄壳笆澜缟弦阎�最惰�?耐腐蝕)的有機(jī)物，幾乎不與任何化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng)，所以就很難混入有機(jī)物�！斑@也確保了我們研究的請(qǐng)準(zhǔn)性�！�

　　“這1011粒花粉化石都是我們一粒一粒從顯微鏡下挑出來(lái)的。”劉鋒向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，“第一次操作時(shí)候手抖的厲害，當(dāng)天就撞碎了三根毛細(xì)管，每根管1500元，很是心疼�。　�

　　劉鋒團(tuán)隊(duì)在研究中遇到的最大的困難是孢粉樣品太小，挑樣極其艱難�！拔覀冇昧俗钕冗M(jìn)的Eppendorf細(xì)胞操作工具，勉強(qiáng)提高了挑樣的速率。”劉鋒說(shuō)，“但由于經(jīng)費(fèi)有限，我們沒有買Eppendorf電子操作手臂，都是用自己的手控制毛細(xì)管去挑選孢粉。”

　　在經(jīng)歷了上千次的操作后，現(xiàn)在劉鋒和學(xué)生的手臂操作已經(jīng)非常穩(wěn)定，抖動(dòng)都不超過(guò)幾微米級(jí)。

　　劉鋒還指出，現(xiàn)在市面上常見的傅里葉變換紅外光譜都不是專門用來(lái)測(cè)量花粉的，因此用來(lái)測(cè)量這么小的物體后得到的信號(hào)都很小�！拔覀冋冶閲�(guó)內(nèi)多家實(shí)驗(yàn)室后，發(fā)現(xiàn)僅有上海島津?qū)嶒?yàn)室可以讓我們測(cè)量花粉這么小的物體。盡管后期獲得的光譜信號(hào)還是不算大，我們使用了一些數(shù)學(xué)算法，放大了這些信號(hào)，最終克服了儀器精度的困難�！�

　　存活的植物帶動(dòng)了其他物種滅絕

　　”此前的研究為了解釋陸地物種滅絕，往往認(rèn)為植物先滅絕，再帶動(dòng)其他陸地物種滅絕。”劉鋒告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“我們的研究發(fā)現(xiàn)，植物在二疊紀(jì)末大滅絕并沒有滅絕，其中包括我們研究的阿里型花粉的母體植物。雖然這些植物沒有滅絕，但依然影響并帶動(dòng)了其他物種滅絕�！�

　　為此，劉鋒團(tuán)隊(duì)對(duì)剖面地層的有機(jī)碳同位素和汞的濃度進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)指標(biāo)的異常波動(dòng)與化石花粉中出現(xiàn)大量香豆酸和阿魏酸的層位基本相當(dāng)，進(jìn)一步確認(rèn)二疊紀(jì)末期全球紫外線輻射的增加可能是由于當(dāng)時(shí)劇烈的火山活動(dòng)引起的。

　　“空氣中紫外線輻射量的增加對(duì)整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)的影響。由于紫外線不僅對(duì)植物的生殖細(xì)胞具有很強(qiáng)的殺傷作用，同時(shí)也會(huì)對(duì)植物體葉肉細(xì)胞造成破壞。”劉鋒介紹，為了抵御紫外線對(duì)葉肉細(xì)胞的破壞，植物體會(huì)在其葉片中大量合成葉黃素、香豆酸和阿魏酸等，相應(yīng)減少葉綠素的合成，從而導(dǎo)致植物體光合作用的減弱，進(jìn)而使得植物體對(duì)于溫室氣體吸收能力減弱，進(jìn)一步加重了二疊紀(jì)末期火山噴發(fā)引起的全球溫室氣體增加。

　　另外，葉肉中的葉黃素、香豆酸和阿魏酸等對(duì)于食草動(dòng)物以及昆蟲來(lái)說(shuō)是一種很難消化且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較低的化合物。“所以紫外線輻射的增加間接影響了陸地食物鏈，可能是導(dǎo)致二疊紀(jì)末陸地食草動(dòng)物以及昆蟲大滅絕的主要原因�！眲�鋒說(shuō)。

　　相關(guān)論文信息：http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo6102