距今約4.6億年的奧陶紀(jì)生物大輻射，是地球歷史上規(guī)模最大的生物輻射事件之一。最新的高分辨率生物多樣性曲線表明，華南的種一級(jí)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)引起了地質(zhì)學(xué)家的重視。

最近，中科院南京地質(zhì)古生物研究所(以下簡稱南古所)科研人員與國外同行合作研究發(fā)現(xiàn)，奧陶紀(jì)氣候變冷期的缺氧海水?dāng)U張，可能是導(dǎo)致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)研究成果日前發(fā)表于《地球與行星科學(xué)快報(bào)》。

沒有提出合適的解釋

研究人員介紹，在地質(zhì)歷史上，奧陶紀(jì)中葉是“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”。這一時(shí)期，大氣中二氧化碳含量持續(xù)下降，地球結(jié)束長達(dá)幾千萬年的溫室氣候，氧氣含量呈現(xiàn)階段性增長并一度達(dá)到現(xiàn)代大氣水平的一半，表層海水幾乎徹底氧化。

在如此宜居的環(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)，早期陸地植物開啟了它們的陸地開荒之旅。

當(dāng)時(shí)低緯度海域表層海水平均溫度為25℃~30℃，與現(xiàn)代赤道氣候十分接近。處于低緯度地區(qū)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(huán)境。

研究人員在這些板塊的奧陶紀(jì)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、幾丁蟲等的化石。通過確定這些化石的屬種并統(tǒng)計(jì)多樣性，研究人員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”。

對(duì)于奧陶紀(jì)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，多樣性峰值后的轉(zhuǎn)折及其環(huán)境背景機(jī)制，卻一直未被深入研究。

“2018年以前，人們繪制的生物多樣性曲線都是以階或期為時(shí)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(xué)報(bào)》，“南京大學(xué)教授樊雋軒和南古所博士研究生鄧怡穎繪制了高分辨率的生物多樣性曲線，并發(fā)現(xiàn)在峰值之后有個(gè)較大幅度的下降，但沒有提出合適的解釋。”

海洋深部并未大范圍氧化

最近，南古所研究員張?jiān)獎(jiǎng)?、張俊鵬等人與國外同行開展合作研究后發(fā)現(xiàn)，奧陶紀(jì)的開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，可能是生物多樣性出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折的誘因。

“我們開展的古環(huán)境恢復(fù)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(lián)系了起來。”張俊鵬解釋道。

支持這種觀點(diǎn)的最新證據(jù)來自于我國華南地區(qū)中-上奧陶統(tǒng)黑色頁巖。無獨(dú)有偶，同時(shí)代的黑色頁巖還存在于我國塔里木地區(qū)的薩爾干組與華北鄂爾多斯地區(qū)的烏拉力克組，以及勞倫板塊西北緣的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(xiàn)代海洋，氣候變冷時(shí)，來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養(yǎng)鹽到達(dá)中低緯度的陸棚區(qū)，刺激表層海水生產(chǎn)力增高，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。

缺氧海水，尤其是硫化氫和重金屬富集的海水，會(huì)伴隨上述效應(yīng)的增強(qiáng)而發(fā)生擴(kuò)張，沿陸棚進(jìn)入淺水環(huán)境，并影響水體生態(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，因此對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的破壞更嚴(yán)重。

從全球尺度來看，越來越多的地質(zhì)證據(jù)表明，奧陶紀(jì)的海洋深部并未被大范圍氧化，且頻繁發(fā)生缺氧海水?dāng)U張并上涌危害透光層的現(xiàn)象。進(jìn)入晚寒武世，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、底水缺氧現(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。

張俊鵬表示，在中-晚奧陶世的海洋中，頻繁出現(xiàn)的海洋缺氧現(xiàn)象，一直影響著海洋生物群落的繁盛。當(dāng)這種影響嚴(yán)重時(shí)，海洋生物多樣性大幅下降。

不僅僅關(guān)注溫度變化

當(dāng)前，全球變暖是地球科學(xué)研究領(lǐng)域的共識(shí)。然而，無論氣候變暖還是變冷，都不是簡單表現(xiàn)為平均溫度的升高或降低，而是伴隨一系列環(huán)境變化，比如極端天氣、干旱或洪澇等。

“我們開展的這項(xiàng)研究只是過去氣候變化引起的海洋環(huán)境變化的一個(gè)縮影。”張俊鵬告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“我們今天關(guān)注的‘全球變暖’和‘雙碳’目標(biāo)，即為控制溫室氣體如二氧化碳等的排放和存儲(chǔ)，以保證其在地球表層圈層的動(dòng)態(tài)平衡。”

他指出：“未來，我們更需要注意的不是正在升高的平均溫度，而是地球氣候穩(wěn)態(tài)被打破時(shí)出現(xiàn)的一系列氣候、陸地、海洋的劇烈環(huán)境變化、伴隨的地質(zhì)災(zāi)害及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。因此，關(guān)注地質(zhì)歷史時(shí)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。”本報(bào)記者 沈春蕾

關(guān)鍵詞： 6億年前生物多樣性為何盛極而衰 或因奧陶紀(jì)氣候變冷期缺氧海水?dāng)U張 奧陶紀(jì)生物大輻射現(xiàn)象 海洋深部并未大范圍氧化