距今約4.6億年的奧陶紀(jì)大輻射，是地球歷史上規(guī)模最大的生物輻射事件之一。然而物種達(dá)到峰值后，卻發(fā)生了銳減。
記者今天（10月18日）從中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所（南古所）獲悉，科研人員近期發(fā)現(xiàn)，奧陶紀(jì)氣候變冷期海洋底層缺氧水體擴(kuò)張，可能是大輻射期間生物多樣性達(dá)到峰值之后發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折的誘因。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際知名刊物《地球與行星科學(xué)快報(bào)》上。
奧陶紀(jì)海底面貌圖。引自：方翔等（2022）
奧陶紀(jì)生物大輻射后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，原因成謎
距今約4.6億年的奧陶紀(jì)中葉，是地質(zhì)歷史上“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”之后海洋生命的又一個(gè)“黃金繁育期”。大氣二氧化碳含量持續(xù)下降，地球走出長(zhǎng)達(dá)幾千萬(wàn)年的溫室氣候，而氧氣含量呈現(xiàn)階段性增長(zhǎng)并一度達(dá)到現(xiàn)代大氣水平的一半，表層海水幾乎徹底氧化。這樣宜居的環(huán)境下，海洋生物多樣性劇增，生態(tài)系統(tǒng)逐漸趨于復(fù)雜和穩(wěn)定。與此同時(shí)，早期陸地植物也開(kāi)啟了它們的陸地開(kāi)荒之旅。
當(dāng)時(shí)的低緯度海域表層海水平均溫度約25℃至30℃，與現(xiàn)代赤道氣候十分接近。因此，處于低緯度地區(qū)的大陸架成為適宜生物繁衍的環(huán)境。在奧陶紀(jì)保存下來(lái)的沉積巖中，發(fā)現(xiàn)大量精美的化石，如三葉蟲(chóng)、腕足類、頭足類、筆石、幾丁蟲(chóng)等。
古生物學(xué)研究通過(guò)確定這些化石的屬種并統(tǒng)計(jì)多樣性，繪制出生物多樣性曲線，發(fā)現(xiàn)海洋生物多樣性在中奧陶世達(dá)瑞威爾期出現(xiàn)峰值，這一現(xiàn)象被稱為“奧陶紀(jì)生物大輻射”。“最新的高分辨率生物多樣性曲線表明，華南的物種多樣性在生物大輻射峰值之后出現(xiàn)近50%的降低，這一發(fā)現(xiàn)近期引起地質(zhì)學(xué)家的重視。”中科院南古所張俊鵬博士(600804)說(shuō)。
對(duì)于“奧陶紀(jì)生物大輻射”，前人曾提出多種成因假說(shuō)，如氣候變冷、大氣氧化、海平面上升，甚至包括地外因素如小行星分解等。然而，多樣性峰值之后的轉(zhuǎn)折及其環(huán)境背景機(jī)制，卻一直未被深入研究。
缺氧海水?dāng)U張入侵淺水環(huán)境，破壞生態(tài)系統(tǒng)
最近，中國(guó)科學(xué)院南古所科研人員與國(guó)外同行合作完成的研究表明，奧陶紀(jì)的開(kāi)闊大洋深部并未大范圍氧化，氣候變冷期的缺氧海水?dāng)U張，可能是多樣性出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折的誘因。
張俊鵬說(shuō)，來(lái)自于我國(guó)華南地區(qū)中-上奧陶統(tǒng)黑色頁(yè)巖（奧陶紀(jì)形成的地層分下、中、上三個(gè)統(tǒng)）是支持這種觀點(diǎn)的最新證據(jù)。
這些黑色頁(yè)巖都形成于中低緯度近海盆地。和現(xiàn)代海洋一樣，氣候變冷時(shí)，來(lái)自高緯度的深部冷流增強(qiáng)，會(huì)以上升洋流的形式攜帶更多營(yíng)養(yǎng)鹽到達(dá)中低緯度的陸棚區(qū)。“這會(huì)刺激表層海水生產(chǎn)力增高，也就是海洋表層的藻類、光合細(xì)菌等初級(jí)生產(chǎn)者進(jìn)行光合作用固碳的總量增高，向下輸出的有機(jī)質(zhì)增多，到達(dá)海底的有機(jī)質(zhì)分解時(shí)消耗大量溶解氧，從而造成海底缺氧現(xiàn)象。”
這些缺氧海水，尤其是硫化氫和重金屬富集的海水，會(huì)因此發(fā)生擴(kuò)張，沿陸棚進(jìn)入淺水環(huán)境時(shí)影響水體生態(tài)。這一現(xiàn)象和現(xiàn)代湖泊的“赤潮”類似，但影響范圍更大、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，因此對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的破壞更嚴(yán)重。
張俊鵬稱，從全球尺度來(lái)看，越來(lái)越多的地質(zhì)證據(jù)表明，奧陶紀(jì)的海洋深部并未被大范圍氧化，且頻繁地發(fā)生缺氧海水?dāng)U張并上涌危害海洋透光層的現(xiàn)象。
晚寒武世，大氣二氧化碳濃度異常，可達(dá)現(xiàn)代大氣水平的15-20倍，溫室氣候下的海洋水體循環(huán)速率緩慢，易出現(xiàn)海水分層化、水底缺氧現(xiàn)象。進(jìn)入奧陶紀(jì)，這一效應(yīng)雖然得到緩解，但海洋的氧化相較于大氣氧化，存在較大滯后性。因此，中-晚奧陶世的海洋中，頻繁出現(xiàn)的缺氧現(xiàn)象，一直在影響海洋生物群落的繁盛。當(dāng)這種影響嚴(yán)重時(shí)，表現(xiàn)為海洋生物多樣性的大幅下降。
當(dāng)下大家關(guān)注的“全球變暖”和“雙碳戰(zhàn)略”，即為控制二氧化碳等溫室氣體的排放，以保證其在地球表層圈層的動(dòng)態(tài)平衡。“但更需要我們注意的，不是正在升高的平均溫度，而是地球打破氣候穩(wěn)態(tài)時(shí)出現(xiàn)的一系列氣候、陸地、海洋的劇烈環(huán)境變化，以及隨之而來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。”張俊鵬說(shuō)。
新京報(bào)記者 張璐
編輯 劉夢(mèng)婕 校對(duì) 劉軍
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