4.6億年前，是什么誘發了海洋生物多樣性大幅下降？

出品：科普中國

(資料圖)

作者：張俊鵬 盛捷（中科院南京地質古生物研究所）

說到“赤潮”現象，想必大家都不陌生。這種常發生于湖泊和半封閉的海灣的水華現象，是令人十分頭疼的環境問題。

“赤潮”是現代常見的水體富營養化現象，多由富含磷、鐵等營養元素的大量工業排放廢水引起。赤潮發生時，輕則水體表層藻類爆發，水體透光性減弱、溶解氧氣含量降低，水體發生化學分層現象，底部出現硫化氫等劇毒成分，表層可見死亡的魚類等水生動物，甚至發展到尸體生態遭到嚴重破壞的程度。

圖1 赤潮

（圖片來源：浦東環境）

你敢想象嗎，在4.6億年前，在地球低緯度海域也曾發生過一場大型“赤潮”，海洋生態環境受到極大的影響，無數海洋生物葬身其中……

近來，中國科學院南京地質古生物研究所科研人員領銜的中、美研究團隊對4.6億年前保存的海相黑色頁巖開展古生物學與沉積地球化學研究時，發現當時的海洋缺氧水體擴張，曾造成海洋生物多樣性大幅降低，并為當時的“奧陶紀生物大輻射”按下“暫停鍵”。相關研究成果已發表于地球科學綜合期刊《地球與行星科學快報》上。

至于“奧陶紀生物大輻射”到底是什么，為什么要從海相黑色頁巖下手進行研究，海洋缺氧水體擴張會引起什么樣的嚴重后果，感興趣我們就一起往下看吧！

蓬勃發展的生命——奧陶紀生物大輻射

在漫長歲月里，生物進化過程一直以相對緩慢的速度推進著。而在關鍵地史時期如生物大輻射期間，海洋這一地球生命的搖籃則在相對較短的時間內孕育出各種各樣的生物。大家更為熟悉的“寒武紀生命大爆發”，就是一次規模宏大的生物輻射事件。

而發生于4.6億年前的“奧陶紀生物大輻射”，曾被譽為地球生物演化史上繼“寒武紀生命大爆發”之后規模最大的生物輻射事件。

該次生物輻射事件，不僅表現為海洋生物多樣性在屬、種級別上的翻一番，還包括生態系統逐漸趨于復雜與穩定，如復雜捕食關系網的建立、浮游與游泳動物的生態擴張、底棲生態群落的發展等。當時的海洋孕育著勃勃生機（圖2），而同時，陸地上早期植物也完成登陸并開始漫長的擴張之旅。

圖2 奧陶紀海洋生態系統復原圖

（圖片來源：方翔等，2022）

由盛轉衰的原因——缺氧海水擴張

然而，生物的繁盛此等盛景并不能夠長久地持續下去，奧陶紀生物大輻射也是如此。

近年來，伴隨超級計算機的應用與“奧陶紀生物大輻射”研究的深入，高分辨率的生物多樣性曲線顯示，該次生物輻射事件期間，生物多樣性在達到峰值后約10個百萬年的時間內，持續出現約50%的下降，這一明顯轉折引起地質學家的重視。

據前人研究，奧陶紀生物大輻射得益于自早奧陶世開始的全球氣候變冷與大氣氧氣含量上升等環境變化。

然而，在我國華南湖南、江西、安徽、浙江等地區中-上奧陶統地層，發育的大套富含有機質的泥頁巖（又稱“黑色頁巖”），反映當時的海洋水底很可能是缺氧的。

猜想一下，如果生物大輻射得益于大氣氧氣含量的上升，那么海洋底部大面積缺氧，很有可能是生物大輻射暫停的原因。

科研人員由此展開了進一步的調查。通過分析這些沉積巖的主微量元素、鐵組分與黃鐵礦形態、氮同位素與鉬同位素等特征，發現當時距岸較遠的水域表層出現富營養化現象，底部缺氧水體逐步擴張，甚至達到厭氧狀態，即底部水體中出現大量硫化氫等劇毒成分。

奧陶紀的海洋又沒有工業廢水的排放，那為什么會出現類似“赤潮”的現象呢？

對于這些現象的背后機制，科研人員解釋道：“奧陶紀中葉，氣溫進一步的大幅下降，造成高緯度海域深部的冷流增強，以上升洋流的形式攜帶大量營養鹽到達中低緯度的近海盆地，引發表層水體富營養化，與現代湖泊的赤潮現象類似”。

基于這一推論，科研人員研究全球其他地區的同時代地層后發現，當時這一現象并不局限于華南板塊，我國的華北板塊、塔里木板塊，美洲的勞倫板塊和歐洲的波羅的板塊均有同時代的黑色頁巖沉積。這說明，當時的海洋并沒有之前研究認為的那樣氧化，同時，該研究首次報道的華南中奧陶統黑色頁巖的鉬同位素證據以及模擬結果也能證實這一點。

圖3 奧陶紀中葉氣候-海洋環境變化與生物地質事件綜合圖，從上到下依次為碳同位素證據、氧同位素證據及其反映的海水溫度變化趨勢、海平面變化與缺氧水體分布、鉬同位素證據以及生物多樣性數據（種一級）等

（圖片來源：張俊鵬等2022）

海洋的“致命呼吸”——海洋缺氧的巨大影響

至此，我們知道，奧陶紀大輻射的中后期，海洋缺氧水體曾大幅擴張。那么，這一現象對海洋生態環境產生過哪些影響呢？

氣候變冷會影響表層水體生態，同時水體富營養化造成大量有機碳沉降到海底，有機質氧化分解時消耗水體溶解的氧氣，進而引發大規模的缺氧海水擴張。缺乏溶解氧氣的水體，同時富集硫化氫，對海洋生態系統（尤其底棲生物群落）造成致命傷害。

因此，這一系列的氣候-環境變化，被認為是中-晚奧陶世生物大輻射發生轉折的主要誘因。

類似的現象，在地質歷史時期曾多次出現，最著名的是2.5億年前的“二疊紀末生物大滅絕”，是目前已知的最大規模的生物滅絕事件，同樣和全球的海洋缺氧現象有關。

“以古鑒今”的思路——從探究地質歷史得到環保啟示

除了地質歷史時期的生物滅絕事件之外，地球氣候打破“穩態”可能帶來的災難，對于現在的我們也充滿了啟示。

全球氣候變暖，是當下各個國家和地區地球科學家的共識。但是，我們關注氣候變化，并非將其簡單理解為平均溫度的上升或下降，而應像地質歷史時期那樣考慮地球氣候打破“穩態”時伴隨出現的一系列的極端天氣和環境災害，如2.3億年前晚三疊世持續達百萬年的“卡尼期洪積事件”等。

同時，我們國家近年提出的“雙碳”目標，正是積極應對氣候變化這一全球問題的重大戰略。中國科學院丁仲禮院士在最新的重要著作《碳中和：邏輯體系與技術需求》中提到，“碳中和應從碳排放（碳源）和碳固定（碳匯）這兩個側面來理解”，這兩大過程中，自然界都占據重要比重。

地質歷史時期，火山噴發是碳排放的重要形式，海洋碳酸鹽工廠和有機碳埋藏是碳固定的重要過程，而“黑色頁巖”即為地質歷史時期海洋碳埋藏的重要產物與證據。

因此，探究地質歷史時期的“碳”，深入研究與之相關的氣候-環境變化，可為今天的我們力行“雙碳”戰略提供重要參考與啟示。以古論今，以古鑒今，才能更好地踐行于當下、澤被于未來。

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