4.6億年前生物多樣性達峰后為何下降50%

距今約4.6億年的奧陶紀大輻射，是地球歷史上規模最大的生物輻射事件之一。然而，最新的高分辨率生物多樣性曲線表明，華南的種一級多樣性在生物大輻射峰值之后出現近50%的降低，這一發現引起地質學家的重視。

 

最近，中國科學院南京地質古生物所（以下簡稱南古所）科研人員與國外同行合作研究發現，奧陶紀氣候變冷期的缺氧海水擴張，可能是大輻射期間生物多樣性達到峰值之后發生明顯轉折的誘因。日前，相關研究成果發表在《地球與行星科學快報》（Earth and Planetary Science Letters）上。

 

沒有提出合適的解釋

 

據了解，在地質歷史上，奧陶紀中葉是“寒武紀生命大爆發”之后海洋生命的又一個“黃金繁育期”。這一時期，大氣中二氧化碳含量持續下降，地球走出長達幾千萬年的溫室氣候，而氧氣含量呈現階段性增長并一度達到現代大氣水平的一半，表層海水幾乎徹底氧化。

 

在如此宜居的環境下，海洋生物多樣性劇增，生態系統逐漸趨于復雜和穩定。與此同時，早期陸地植物也開啟它們的陸地開荒之旅。

 

當時的低緯度海域表層海水平均溫度約25℃~30℃，與現代赤道氣候十分接近。處于低緯度地區的大陸架，如華南板塊、勞倫板塊和波羅的板塊的近海陸棚，成為適宜生物繁衍的環境。

 

研究人員在這些板塊在奧陶紀保存下的沉積巖中，找到大量精美的化石，如三葉蟲、腕足類、頭足類、筆石、幾丁蟲等，通過確定這些化石的屬種并統計多樣性，繪制出生物多樣性曲線，發現海洋生物多樣性在中奧陶世達瑞威爾期出現峰值，這一現象被成為“奧陶紀生物大輻射”。

 

對于“奧陶紀生物大輻射”，前人在研究中曾提出多種成因假說，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折及其環境背景機制，卻一直未被深入研究。

 

“由于前人繪制的生物多樣性曲線在2018年之前都是以階或者期為時間單位，分辨率較低。”論文第一作者、南古所助理研究員張俊鵬告訴《中國科學報》，“南京大學教授樊雋軒和南京地古所博士研究生鄧怡穎實現了高分辨率的生物多樣性曲線，并發現在峰值之后有個較大幅度的下降，但沒有提出合適的解釋。”鄧怡穎也是論文作者之一，負責多樣性數據的分析。

 

海洋深部并未大范圍氧化

 

最近，南古所研究員張元動、張俊鵬等人與國外同行開展合作研究后發現，奧陶紀的開闊大洋深部并未大范圍氧化，氣候變冷期的缺氧海水擴張，可能是多樣性出現明顯轉折的誘因。張俊鵬解釋道：“我們開展的古環境恢復研究將氣候變冷期的缺氧事件和大輻射期間生物多樣性下降聯系起來。”

 

支持這種觀點的最新證據來自于我國華南地區中—上奧陶統黑色頁巖，主要分布于我國湖南、江西、浙江、安徽等地。無獨有偶，同時代的黑色頁巖還包括我國塔里木地區的薩爾干組與華北鄂爾多斯地區的烏拉力克組、勞倫板塊西北緣的Roadriver Group和波羅的板塊的Alum Shale等。

 

張俊鵬介紹，這些黑色頁巖均形成于容易被上升洋流影響的中低緯度近海盆地。類比現代海洋，氣候變冷時，來自高緯度的深部冷流增強，會以上升洋流的形式攜帶更多營養鹽到達中低緯度的陸棚區，刺激表層海水生產力增高，向下輸出的有機質增多，到達海底的有機質分解時消耗大量溶解氧，從而造成海底缺氧現象。

 

這些缺氧海水，尤其是硫化氫和重金屬富集的海水，會伴隨上述效應的增強而發生擴張，沿陸棚進入淺水環境時影響水體生態。這一現象和現代湖泊的“赤潮”類似，但影響范圍更大，持續時間更長，因此對海洋生態系統的破壞更嚴重。

 

從全球尺度來看，越來越多的地質證據表明，奧陶紀的海洋深部并未被大范圍氧化，且頻繁地發生缺氧海水擴張并上涌危害透光層的現象。進入晚寒武世，大氣二氧化碳濃度異常，可達現代大氣水平的15～20倍，溫室氣候下的海洋水體循環速率緩慢，易出現海水分層化、底水缺氧現象；進入奧陶紀，這一效應雖然得到緩解，但海洋的氧化相較于大氣氧化，存在較大滯后性。

 

張俊鵬表示，在中—晚奧陶世的海洋中，頻繁出現的海洋缺氧現象，一直在影響海洋生物群落的繁盛。當這種影響嚴重時，表現為海洋生物多樣性的大幅下降。

 

以古論今，以古鑒今

 

當前，全球變暖是地球科學研究領域的共識。然而，無論氣候變暖或變冷，并非簡單的平均溫度升高或降低，氣候打破穩態后，都會伴隨一系列環境變化，比如常見的極端天氣，干旱或洪澇等等。

 

“我們開展的這項研究只是過去氣候變化引起的海洋環境變化的一個縮影。”張俊鵬告訴《中國科學報》，“我們今天關注的‘全球變暖’和‘雙碳’戰略，即為控制溫室氣體如二氧化碳等的排放和存儲，以保證其在地球表層圈層的動態平衡。”

 

他指出：“未來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態時出現的一系列氣候、陸地、海洋的劇烈環境變化、伴隨的地質災害及其對生態系統的影響。因此，關注地質歷史時期的‘碳’，以古論今，以古鑒今，有助于我們踐行于今天、澤被于明天。”

 

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117858