地球生物大灭绝探秘(5)

地球生物大灭绝探秘（5）
胡经国
八、温室效应－生物大灭绝真凶
1、人类活动把地球生物圈置于危险之中
据报道（20061115），如果小行星撞击地球不是造成生物大灭绝的原因，那么究竟是什么原因导致了生物大规模死亡呢？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。

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；而对科学而言，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。

在200多年前，人们首次认识到，在地质历史上曾经发生过多次生物大灭绝事件。

古生物学家曾经相信，生物大灭绝是一个逐渐发生的过程，是气候变化以及捕食、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。

在那一年，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，是在距今6500万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，在前五次最大规模的生物灭绝事件中，至少有3次可能是宇宙陨小行星造成的。

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，公众也明确地接受了这种观点。

现在，对生命断续历史的认识，正酝酿着另一场转变。

新的地球化学证据，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（O rganic 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一种特例，而不是普遍规则。

在大多数情况下，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，可能正在再度把地球生物圈（B iosphere）置于危险之中。

2、小行星撞击地球？
近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种观点。

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，似乎十分有益。

小行星撞击模式，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。

它包括以下两个不同的假设：首先，一颗直径约为10千米的小行星，在距今6500万年前撞击了地球；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（含铱岩层）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。

这种铱元素在地球上颇为稀少，但是在地外天体物质中却比较常见。

这种惊人的观点提出不到10年，人们又发现了小行星撞击灾难的直接证据——“奇科苏卢布”陨石坑（Chicxulub Crater）。

它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，它又对其它生物大灭绝事件提出了新的疑问：如果这次生物大灭绝是由小行星撞击引起的，那么其它几次生物大灭绝又怎么样呢？
在地球历史的过去5亿年间，发生了五次使大多数地球生命形式彻底消失的生物大灭绝事件：第一次发生在奥陶纪（Ordovician）末期，距今大约 4.43亿年；第二次发生在距今3.74亿年前，接近泥盆纪（Devonian）末期；而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距今6500万年前，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?）。

他在该书中大胆预测，人们最终可能会发现，小行星撞击是所有生物大灭绝和其它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）。

这些无不证明了撞击事件的发生。

在古代沉积物中，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。

对其它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，其它发现，揭示了三叠纪末期和二叠纪末期发生的撞击。

在三叠纪地层中，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，在这五次生物大灭绝中，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。

新的化石分析表明，二叠纪和三叠纪的生物大灭绝是一个漫长的过程，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，而不是一次性小行星撞击带来的突发性灾变。

链接：“碳笼”
“碳笼”（C60），是碳（C）的一种同素异构体，是由60个碳原子组成的高度对称的足球分子，是具有笼式结构的碳团簇。

1958年，Kroto等人在用镭射激光轰击石墨靶，做碳的气化实验时，发现了一种由60个碳原子组成的稳定的分子簇。

质谱分析证明，它具有720个原子质量单位；X光衍射照片直接证明了C60分子的球形结构。

其晶体结构为面心立方，心间距为1.004nm，晶格常数为1.4198nm。

它是由12个五边形、20个六边形组成的32面球体，其直径为0.71nm的球形分子。

为了纪念美国建筑师Fuller.R.B.，把C60命名为Buckminster Fuller，简称富勒烯（Fullerene）。

我们称其为碳笼。

其实，碳笼为C60、C70等具有笼式结构的碳团簇的总称。

3、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。

⑴、K/T界线事件的启示
据认为，上述白垩纪和第三纪之间的地质界线（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，一个生物种群中的化石越大，灭绝的步伐似乎也就越平缓。

⑵、新统计方法及其不同结果
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，有学者和马歇尔联手，在K/T界线地层剖面，测试了他的统计方法。

他们最终证明，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（也包括该学者），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。

该学者的研究小组，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。

⑶、碳同位素记录及其应用
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，其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，即：碳-14。

因为，人们常用它的衰变规律来测定特定化石骨骼或古沉积物样本的年代。

不过，在地质记录中，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。

其原因在于，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。

①、白垩纪末大灭绝模式
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（白垩纪大灭绝事件）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，但是很快得以恢复。

②、二叠纪末、三叠纪末大灭绝模式
该学者的研究小组在2005年初揭露的二叠纪碳同位素记录，以及最近揭露的三叠纪碳同位素记录无不证明，在那两次生物大灭绝事件中，植物和浮游生物都经历了一段与K/T界线灭绝截然不同的命运。

在那两次灭绝事件中，碳同位素比例在超过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。

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，关于在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所谓“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，但是其规模绝不可能引发K/T界线上出现的那种全球性生物大灭绝事件。

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。

九、峨眉山火山大爆发与二叠纪末生物大灭绝
据报道（20090602），地球有史以来规模最大的一次生物大灭绝－二叠纪末生物大灭绝，很可能是由于峨眉山玄武岩火山大爆发而造成的。

中、英两国科学家历经4年研究，于日前发表了前述结论。

1、峨眉山火山大爆发造成二叠纪末生物大灭绝
在距今大约 2.6亿年前的二叠纪时期，当时还是一片浅海的峨眉山地区，曾经发生过一场规模空前的玄武岩浆大爆发。

这次火山爆发在瞬间形成了25万平方公里的熔岩，其面积相当于五个英国威尔士。

直到今天，在四川、贵州、云南等地还有大量的火山岩分布。

其总体积高达50万立方公里的熔岩，造成了巨大的环境灾难，从而毁灭了全球超过90%的海洋生物以及超过70%的陆地物种。

2009年5月29日，在最新出版的美国《科学》（SCIENCE）杂志上，英国利兹大学的保罗·威格诺尔（Paul Wignall）教授、中国地质大学（武汉）赖旭龙教授等学者共同组成的研究团队，发表了相关论文，正式公布了历时4年的上述研究成果。

在地球上，曾经多次发生过全球性的生物大灭绝事件。

其中，除了二叠纪大灭绝以外，还有我们熟悉的距今6500万年前导致恐龙彻底消失的第五次生物大灭绝（白垩纪大灭绝）等。

不少科学家一直认为，大规模的火山爆发，可能是导致生物大灭绝的重要原因。

但是由于缺少直接证据，这一学说长期备受争议。

这次，上述研究人员终于在峨眉山地区找到了突破口。

2、海底火山大爆发－研究海洋生物大灭绝的“窗口”
赖旭龙教授表示，在那个时期，大规模的火山爆发往往都发生在陆地上。

但是，陆地上的物种一般较少，而且比较分散，不容易形成化石，因此很难直接把火山爆发和物种大灭绝联系起来。

峨眉山玄武岩火山大爆发，却发生在浅海这样的海相环境中，这就为研究海洋生物的集体灭绝行为，提供了难得的“窗口”。

事实上，他们在贵州熊家场地层剖面上，发现了在火山爆发间歇期保存良好的海相地层。

这种由玄武岩（火山岩）和含有生物化石的海相碳酸盐岩构成
的“三明治”型地层结构，为研究火山爆发和不同种类生物灭绝的时间相关性，提供了迄今为止最精确也是最直接的证据。

该论文第一作者、英国利兹大学保罗·威格诺尔（Paul Wignall）教授表示，通过这些化石记录，我们可以清楚地看到，这次突发的海洋生物大灭绝，与火山大爆发引起的全球环境灾难之间有着直接的联系。

3、火山大爆发造成的环境灾难是多重的
之前，有科学家认为，虽然火山爆发可以释放大量的二氧化碳、甲烷等温室气体，但是由于全球变暖是一个长期的过程，因此似乎仍不足以导致如此大规模的生物灭绝。

对于这种质疑，这份研究报告给出了解释，那就是火山大爆发所引发的环境灾难，实际上是多重的。

以峨眉山地区火山大爆发为例，在温度高达700℃～800℃的巨量镁铁质熔岩瞬间进入海水中时，在威格诺尔看来，就像冷水倒入热油锅中一样，会引起极为猛烈的爆发。

由于镁铁质岩浆携带有大量的硫，因而大量火山灰和硫化物都会喷射到大气的平流层，形成富含硫酸盐的“云层”（气溶胶）。

这些不易消散的硫酸“云”，不仅会极大地阻挡和吸收阳光，从而导致短期内全球急剧变冷。

同时，其形成的酸雨，也会对全球生物，尤其是海洋生物，造成极大的损害。

在全球变冷、酸雨肆虐之后，接踵而至的是全球变暖；而全球变暖的步伐，或许也比我们预料的要快得多。

赖旭龙教授指出，除了火山自身喷发的温室气体以外，由于岩浆侵入到煤层、围岩而产生的热变质作用，也会释放出大量甲烷。

这些温室气体，不仅会使得气候慢慢回暖到正常水平，也会导致进一步的全球变暖。

2011年12月22日编写于重庆
2020年9月16日修改于重庆。