地球大灭绝事件揭秘

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国际著名学术期刊《自然-通讯》的研究论文《二叠纪末生命大灭绝过程中厌氧海水的间歇性上涌:来自硫同位素的证据》,对地球历史上最大一次生命灭绝事件的原因提出了新的地球化学证据。作者是中国科技大学地球和空间科学学院、中国科学院壳幔物质(crust mantle cycle)与环境重点实验室“千人计划”教授沈延安博士。

该文认为二叠纪末海洋的深部海水缺氧,并且在海洋深部的某些区域富集二氧化碳及硫化氢(一种闻似臭鸡蛋气味的有毒气体)。当这些深部海水上涌到海洋的浅水地区时,就会造成海洋生物的大量灭绝。

最近五亿年,大规模的生物大灭绝就出现过5次之多

长期以来,恐龙灭绝之谜一直令人津津乐道。这种波及全球,使大量的生物类群在短时间内消亡,造成突然集群灭绝的现象,古生物学家称之为生物大灭绝。最近五亿年以来大规模的生物大灭绝就出现过5次之多,其中发生在古、中生代之交的,即二叠纪末的生物大灭绝规模最大,对生物发展的影响也最为深刻。有统计显示,地球上90%以上的海洋生物物种和75%左右的陆地生物物种在这一时期全部都灭绝了。中国科学院南京地质古生物研究所科学家表示,这是一次超级大灭绝,生态系统也彻底得到更新,其他各次的灭绝都远不及这次大灭绝。

通过丰富的地壳资料再现了二叠纪末的生物大灭绝惨况。从海洋生物来看,到了二叠纪末,四射珊瑚、蜓、钙质海绵、腕足类、三叶虫等门类相继消亡或大量消减,生物礁生态系统全面崩溃,碳埋藏几乎全面停止。在陆生生物中,石炭纪-二叠纪植物群以蕨类为主,在滨海沼泽地带形成森林,但至二叠纪末快速消亡,被矮小的裸子植物代替。在二叠纪最有代表性的陆生动物就是四足类的脊椎动物,但至二叠纪末,63%的四足类的科迅速灭绝。

目前对生物大灭绝的原因有多种不同的解释,有天体撞击说、温室效应说、酸雨说…,众说不一还没有一个公认的一致说法。

那到底是什么原因导致了这场全球范围内的大灭绝?这个研究首次分析了与大灭绝有关层位的多种硫同位素组成,着重探讨大灭绝之前生物物种减少的原因以及它们和大灭绝的关系,这是前人很少甚至没有涉及的,从而给大灭绝的成因提供了一个新的思路。研究中重大发现:硫同位素异常。

地质剖面岩石中含有的黄铁矿(一种含硫的矿物,化学分子式是:FeS2)并有多种硫同位素组成(32S、33S、34S、36S)。研究者说,海水中有硫酸盐(SO42-),硫酸盐还原细菌可以将硫酸盐还原从而产生H2S(一种闻似臭鸡蛋的气体),H2S随后与铁发生化学反应生成黄铁矿。硫同位素的组成主要受硫酸盐还原条件以及海洋环境的控制。

根据微生物及化学实验的结果,黄铁矿的硫同位素组成范围大致是一定的。但是从浙江煤山剖面测定的某些硫同位素值与理论的“推测值”不相符合,并且这种现象每隔一段时间就会出现一次,研究发现了“硫同位素阶段性异常”。

异常缘于深部海水上涌 有毒气体上涌导致大灭绝

根据同位素地球化学原理,只有在深部缺少氧气的海水上涌到浅部的特殊条件下,才能够产生我们所观察到的硫同位素异常值。硫同位素值的异常说明了当时深部海水的上涌。目前,来自世界诸多地区如华南、丹麦、日本、加拿大等的地质记录与地球化学资料表明,二叠纪末的海洋与现代全部富含氧气的海洋是不同的,当时的海洋是分层的,即海洋的浅部海水是富含氧气的,而深部海水是缺少氧气的。

沈教授解释说,“深部海水携带着海洋深处大量的有毒气体一起涌上,这对于浅海及陆地上的生物而言将会是一个毁灭性的打击。”、“我们谈到海水中的有毒气体主要包括二氧化碳、硫化氢等。浅部海水由于富含氧气,硫酸盐还原作用不能在水体中发生。只有在缺少氧气的海洋条件下,硫酸盐还原细菌才能够将海水中的硫酸盐还原产生二氧化碳以及臭鸡蛋一样味道的硫化氢,从而使得深部海水中富集这些气体。”。他指出现代的黑海为“硫化海洋”的典型代表之一。在200米之下,黑海缺少氧气,海水中的硫酸盐还原作用使“黑海”深部水体中富集硫化氢。

沈教授的研究指向“受海水表面的风力所驱动,以及海水中有机质的产生与搬运、海洋的回圈方式等诸多因素的影响,深部海水发生了上涌,大量的二氧化碳和硫化氢被释放到浅部海水和空气中,从而导致了大量生物的灭绝。”

二氧化碳升高可能导致海洋缺氧

“研究二叠纪末的生物大灭绝对于我们现代环境有重要的启示意义。”沈教授提醒说,“在特定的条件下,二氧化碳的升高可能导致海洋缺氧,进而危害人类的生存环境。二氧化碳不断升高的本身不会造成海洋的缺氧,但在极端的情况下,由此产生的后果是有科学依据的。”

沈教授强调说,“尽管我们希望通过我们的工作来更好的服务于现代的环境,但我们不可能准确预测现代海洋如何变化,影响因素可能成千上万,如同最开始所说,我们只是提供一个思路,探索一个新的方向。”

5次地球生命大灭绝

4.4亿年前奥陶纪6500万年85%物种惨遭灭绝
3.65亿年前泥盆纪5000万年海洋生物遭受灭顶之灾
2.5亿年前二叠纪4500万年90%生物惨遭灭绝
2亿年前三叠纪5000万年爬行类动物受到重创
1.37亿年前白垩纪7000万年恐龙灭绝
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