二叠纪末生物大灭绝之谜

2009-07-30 03:54:02

当我们翻开报纸或者打开电视机,总是能看到“某某动物只剩下数千只”、“某某植物濒临灭绝”之类的信息,我们不得不感慨,地球上的有些生命正在离我们远去。回顾整个地球历史,自有生命以来地球经历了至少五次生物灭绝事件,每一次都让地球上不计其数的生命遭受灭顶之灾。其中发生在2.5亿年前的二叠纪末期生物灭绝事件无疑是最残酷的。

神秘的地球生命“大清洗”

距今3亿年左右的二叠纪,地球经历了数十亿年的演化之后成了生命的乐园。二叠纪时期的海水温暖而清澈,有很多小生命生活在其中,例如珊瑚虫、苔藓虫、有孔虫、海绵等等。这些小生命在海洋中繁衍生长,在长达数千万年的时间里面创造了一个生命奇迹—超大面积的海洋生物礁。

在二叠纪时期的陆地上,森林、草原密布,各种奇树异草随处可见,到处都是郁郁葱葱的繁盛景象。随着生物多样性的进一步发展以及受不同环境的影响,陆生植物在全球范围内形成了四大植物地理区。在这些二叠纪的蕨齿类、木本石松类植物中间,飞舞着各式各样的昆虫,它们大多跟我们今天看到的蜻蜓、蝗虫、蟑螂和甲虫一样;在森林、草原和沼泽,也随时可以看到各种各样的大型动物生活其间,它们大都两到三米长,有的甚至能达到五米以上。

 这样欣欣向荣的景象持续了几千万年,一直持续到2.5亿年前,也就是二叠纪的末期,却发生了巨大的变化。科学家们发现众多的动植物化石在二叠纪末期的地层中突然奇迹般地全部失踪,也就是说之前我们描述的那些热闹的生物礁、茂密的植物、飞舞的昆虫和各种大型动物在这个时期一下子从地球上消失了。地球不再是生命的乐园,大部分生命在短时期内荡然无存,只剩下极小部分的生物在苦苦挣扎。据科学家统计,有多达95%的海洋生物和70%的陆生脊椎动物在二叠纪末期惨遭灭绝,即便是人所共知的白垩纪“恐龙灭绝”事件,其规模也仅仅相当于这次灭绝事件的三分之一。

那么,究竟是什么导致了这次地球生命“大清洗”事件呢?科学家们运用各种手段对二叠纪末期的岩石进行研究,挖掘其中蕴藏的信息,以获悉当时到底发生了什么。

天外来客?

与地球上所有曾经发生过的灾变事件一样,科学家首先怀疑 “天外来客”—例如我们常提到“在6500万年前的白垩纪,一颗巨大的小行星击中地球,于是恐龙灭绝了”。从上世纪90年代到本世纪,一些科学家对二叠纪末期的地层岩石进行研究,发现有一种叫铱的金属元素非常富集。铱这种金属主要来自外太空,而地球上出现的铱元素富集现象通常与小天体的撞击有关。比如,科学家最早就是据此得出了白垩纪恐龙灭绝的天体碰撞成因说。很自然地,这些科学家也怀疑二叠纪末期的生物灭绝事件与小行星的撞击有关。

通过进一步研究,科学家们又在二叠纪末期的地层岩石中发现了富勒烯、微粒球和冲击石英等证据,其中富勒烯是一种特殊的物质,它的结构里面包裹着一些地外气体。还有研究者在南极的格拉菲特山峰发现了一些陨石碎片,这些陨石碎片恰好夹在二叠纪末期的地层岩石中。这些证据似乎将造成二叠纪末期生物灭绝的元凶指向了外来天体的撞击。

这些科学家认为,在大约2.5亿年前有一颗小行星或者彗星猛烈地撞击了地球,其威力巨大,造成的强烈震波迅速席卷全球,瞬间杀死了上千平方公里内的所有生物。更厉害的是,这次撞击激起了巨量的尘埃,这些尘埃悬浮在空中遮天蔽日,一方面造成全球气温下降,另一方面又阻碍了生物的光合作用,使整个生态系统遭到严重破坏。这必然造成生物的大灭绝。

但是近些年来,反对这种假说的声音逐渐多了起来。首先,这么大的撞击事件,必然会在地球上留下痕迹,比如造成恐龙灭绝的那次撞击事件就在墨西哥留下了一个大坑。而至今也没有人发现发生在二叠纪末期这次撞击留下的撞击坑。其次,这样剧烈的撞击还会造成岩石碎片和尘埃遍布全球,而至今除了在南极发现的一点陨石样品,再没有别的陨石在二叠纪末期地层的岩石中被发现。

火山爆发?

早在上世纪90年代,科学家在西伯利亚的冻土层下面发现了绵延数千公里的火山岩,这一套岩石被称为“西伯利亚大火成岩省”。火山岩的形成自然与火山和岩浆有着最直接的联系。可以想象,在很多年前的西伯利亚,连绵数千公里的地壳被火山熔岩撕裂,岩浆如洪水般涌出,在数百万平方公里土地上肆虐蔓延,最终冷却造就了这一规模雄伟的火山岩。科学家们通过进一步研究发现,这次巨大的火山喷发事件发生在大约2.5亿年前,前后延续了100多万年。

随着探索工作的进一步发展,科学家们在中国西南的峨眉山和印度西北的潘加也都发现了大规模的火成岩省,这些火山岩与西伯利亚大火成岩省的形成时间比较接近。这些大规模的火山喷发事件与二叠纪末期的生物灭绝事件在时间上也比较吻合。于是科学家自然就考虑,这些火山爆发事件跟生物灭绝事件会不会有什么关系呢?

科学家们对现代和古代的一系列火山喷发事件进行了研究,了解到大规模火山爆发会对全球气候产生巨大的影响。科学家们认为,持续不断的火山喷发会把大量火山气体和火山灰带进地球大气层:一方面,大量的火山灰喷入空中,进而弥漫到全球各个地区,它们会遮挡阳光的照射,这样就阻碍了植物的光合作用,并从根本上破坏了整个地球的生物链;另一方面,火山喷出的二氧化碳气体经过长期的积累,必然造成温室效应,使地球温度持续上升;再就是火山爆发还喷出大量剧毒的二氧化硫气体,直接毒害生物,这种气体还与空气中水蒸气结合形成酸雨,落到地表和海洋中,造成生态环境的极大破坏。

科学家利用这些理论提出了二叠纪末期全球生物灭绝事件的“火山成因说”。但是,仅仅靠这些猜测和联系是远远不够的,科学家还需要找到更加直接的证据将火山爆发和二叠纪生物灭绝紧紧地联系起来。

20095月,包括中国科学家赖旭龙在内的中美联合研究小组在著名杂志《科学》上发表了一篇论文,为“火山成因说”提供了最有力、最直接的证据—这些科学家在中国的四川省找到了两套非常相似的地层。经过鉴定,这两套地层大概都产于2.6亿年前,每套地层中都同时包含了两种不同的岩石,一是峨眉山大火成岩省的火山岩,一是二叠纪的沉积岩。其中火山岩代表着二叠纪的火山喷发事件,而沉积岩中则记录了某些浮游生物的灭绝。通过将这些岩石记录进行对比研究,科学家们发现火山喷发与浮游生物的灭绝几乎是同时发生的,这直接说明了在二叠纪,火山喷发与生物灭绝事件关系密切。研究小组的研究不仅涉及四川峨眉山,也涵盖了贵州、云南等地区的大量火山。

那么火山喷发究竟是如何造成生物灭绝的呢?难道是火山喷发直接把生物都烧死了吗?答案当然是否定的。科学家认为,是火山的爆发影响了当时地球上海洋和大气的环境,才最终导致了生物的灭绝事件。要了解这些,必须对二叠纪时期海洋、大气环境有非常详细的了解。于是地球化学家们提取岩石中存留的化学信息,以了解当时海洋的化学信息。然后科学家们再将这些信息汇总、进行模拟,以重现二叠纪时期的地球气候环境。

在二叠纪的大部分时间里,海洋都是一片“椰林树影,水清沙幼,蓝天白云”景象;可是到了二叠纪末期,海洋环境变得完全不同了。科学家们经过多年的研究发现,二叠纪末期的海洋居然是一个缺少氧气的海洋。缺氧的海洋是个什么概念呢?举个简单的例子,凡是养过鱼的人都知道,鱼缸里面通常得加入一个空气泵,它向水中源源不断地提供氧气。如果没有这个设备,鱼缸里的鱼就很容易因为缺氧而死。在今天的海洋中,空气和海水之间的交换作用,就像鱼缸中空气泵的作用一样,使海洋溶解大量的氧气,各式各样的海洋生物得以生活其中。而二叠纪末期的海洋中就缺少这些溶解的氧气,海洋生物自然无法生存。更可怕的是,这时期的海洋中不但没有氧气,而且溶解了大量剧毒的硫化氢气体。可以想象一下,二叠纪末期的海洋生物整日泡在毒药中间,处于如此悲惨的境地,海洋生物的灭绝成为必然。

那么,这样的海洋是如何形成的呢?通过计算机的模拟,科学家对“火山成因说”作了进一步的修正。新的理论认为,2.5亿年前西伯利亚火山群持续喷发仅仅影响了周边的生态系统,并没有造成全球性的影响。但是火山爆发喷出的各种火山气体在大气中的持续累积,尤其是二氧化碳对大气的入侵,造成地球上的温室效应,导致全球变暖和海水温度上升。高温的海水不利于溶解氧气,因此这个时期海洋溶解氧气的能力大大降低;火山喷发还造成大量火山灰遮蔽阳光,阻碍了绿色植物的光合作用,产出的氧气大大减少,导致大气中的氧气含量剧烈下降。这两个作用叠加,造成二叠纪末期的海洋中氧气的缺乏。在这样一个缺氧的海洋中,大部分生物很难存活,但是有些细菌却能够在里面自得其乐。这其中有种细菌叫做“硫酸盐还原菌”,它不但能够在缺氧的海水中繁衍生息,还会产出剧毒的硫化氢气体,它们在二叠纪海洋中愉快地生活繁殖,将二叠纪末期的海洋变成一锅“大毒粥”。经过进一步累积,海洋中的硫化氢气体浓度超过一定的限度,就会释放到大气中,更进一步破坏生态环境,毒害陆生生物。

 

随着更多证据的发现,现在大部分科学家都相信二叠纪末期的大规模火山爆发可能是这次生物灭绝事件的源头。火山爆发向大气中喷射大量的火山灰和各种火山气体,它们直接或者间接地影响到了整个地球的生态环境,再经过一系列的连锁反应,最终导致了二叠纪末期的生物灭绝事件。

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