奥陶纪末生物大灭绝新证据暗示火山喷发是“最大嫌疑人”

本报记者 陆成宽

近日，《自然·通讯》报道了一项关于奥陶纪末生物大灭绝的研究成果，中国科学技术大学沈延安研究团队发现，在奥陶纪末生物灭绝事件的过程中硫同位素产生了非质量分馏，提出“平流层火山喷发”是奥陶纪末生命灭绝事件的驱动机制。

长久以来，奥陶纪末生物大灭绝事件的原因一直是个谜，科学家曾提出冰川事件、火山爆发以及伽马射线暴等多种解释，但具体的驱动机制目前学界尚未形成统一认识。

冰川事件 遭受气候变冷和气候变暖“双重打击”

奥陶纪是古生代的第二个纪，气候温和，浅海分布广泛，现今1/3的陆地当时被浅海覆盖，海平面比现在高出400米，是地球历史上海侵最严重的时代。这一时期，海生生物空前发展，腕足动物、三叶虫、珊瑚、笔石等迅速演化，科学界称之为“奥陶纪生物大辐射事件”，原始的脊椎动物开始出现，陆地上除了很低等的植物，没有任何动物生存。

发生在大约4.4亿年前的奥陶纪末生命大灭绝，是地球自寒武纪生物大爆发以来最古老的生物灭绝事件，也是地球5.4亿年来第二大生命灭绝事件。当时的海洋生物遭遇了灭顶之灾。像珊瑚、腕足动物、三叶虫等生物门类的多个类群几乎“全军覆灭”，这次大灭绝重创了海洋生态系统，导致当时85%的海洋生物物种灭绝。科学界普遍认为，导致这场灾难的罪魁祸首就是奥陶纪末的冰川事件。

关于奥陶纪末生命大灭绝，以前主导的观点是将两幕式生物灭绝与当时冰期的开始和消融联系起来。长期以来，这次大灭绝事件的基本过程被描述为两幕式：第一幕起因于凯迪—赫南特期之交冈瓦纳冰盖的形成，造成新的凉水海洋生物全球广泛分布；第二幕则由于赫南特晚期冰川消融，导致早前的凉水动物整体消亡。

“具体来说，就是冰期开始的时候全球海平面下降，气候变冷，这一全球气候的突然变化直接导致海洋动物生存空间缩小，其结果是部分动物往海洋深部迁移并适应深部生存环境，但相当一部分动物因为对深部海洋生存环境的适应性较差而消亡。在持续大约100万年之后，冰川开始消融，全球海平面迅速升高，气候变暖，从而导致海洋缺氧。海洋内氧气的缺乏直接对奥陶纪末生命造成毁灭性的打击。”沈延安告诉科技日报记者。

真核藻类大爆发 海洋“吸收”有机碳致大气CO2浓度急降

虽然长期以来，赫南特冰期及其引发的气候、海洋环境变化，导致生物大灭绝是国际上较为主流的观点，然而这次剧烈、短暂的冰期为何能在二氧化碳浓度异常高的背景下发生仍是个谜。

2018年，美国哈佛大学地球与行星科学系安·皮尔逊课题组与中国科学技术大学沈延安研究团队合作在《自然·地球科学》上发表论文称，研究发现，海洋真核藻类的大爆发，或触发赫南特冰期，并间接导致奥陶纪末期生物的集体灭绝。

研究人员以美国内华达州维尼溪奥陶—志留纪典型剖面为研究对象。沈延安团队首先对该剖面进行了详细的野外考察并进行了高密度的样品采集工作，在此基础上中美合作团队开展了氮同位素的研究工作。研究结果显示，在奥陶纪末期，由于陆地大量维管植物首次出现与扩张，增强了大陆风化作用，导致海洋中生物可利用的限制性营养元素十分充裕。这为加速浮游植物的生长、繁殖提供了有力的条件。

氮同位素的研究结果证明了在赫南特冰期之前，真核藻类迅速扩张，大量有机碳迅速被埋藏在海洋中，致使大气中二氧化碳浓度短时间内急剧下降，这是此次赫南特冰期和生物大灭绝事件的重要驱动因素。

此外，还有研究人员认为，伽马射线暴导致了这次生物大灭绝。所谓伽马射线暴是宇宙中一种伽马射线强度在短时间内突然增强，随后又迅速减弱的现象。伽马射线暴的时间不长，通常只有几十秒，能量主要来自伽马射线。伽马射线是波长小于0.1纳米的电磁波，是一种比X射线能量还高的辐射。物理学家通过计算发现强大的伽马射线暴能够杀死一定范围内的宇宙生命。奥陶纪大灭绝是地球5大历史事件之一，导致海洋物种数量急剧下降。有证据表明，这一巨变发生在冰河时代，而伽马射线暴可能是触发此次大规模灭绝事件的原因之一。

平流层火山喷发 触发全球气候剧变和海洋环境恶化

“但是近年来科学家们通过全球范围内详细的野外考察和研究发现，奥陶纪末冰川期的开始和结束并没有与两幕式生命灭绝在时间上高度一致，因此将奥陶纪末生命大灭绝的原因与冰川的开始和消融直接联系起来受到了质疑。”中国科学技术大学地球和空间科学学院副研究员胡东平说道。

针对这一科学问题，研究人员开辟了新的研究思路。他们对华南奥陶纪末生命灭绝地层中的黄铁矿进行了高精度同位素分析，发现伴随着奥陶纪末火山的喷发，硫同位素出现非质量分馏，当火山活动减弱和停滞后，硫同位素又呈现质量分馏。“奥陶纪末非质量硫同位素记录的发现是有地质记录以来的首次报道。因此，我们提出奥陶纪末火山活动为‘平流层火山喷发’，触发和驱动了当时的生命大灭绝事件。也就是说‘平流层火山喷发’扣动了奥陶纪末生命灭绝的‘扳机’。”沈延安说。

该研究认为，奥陶纪末“平流层火山喷发”将大量二氧化硫、硫化氢和其他火山物质输送至平流层并形成了以硫酸盐为主的气溶胶层。硫酸盐气溶胶层对全球气候变化和地球系统的热量平衡起着至关重要的作用，因为平流层硫酸盐气溶胶反射短波的太阳辐射、同时吸收长波段的太阳辐射，从而导致地球表面温度下降。也就是说，硫酸盐气溶胶层加热了自己，冷却了地球。

在平流层的臭氧层附近，火山喷发的二氧化硫等含硫气体经光化学反应产生硫同位素的非质量分馏，并形成硫酸盐等沉降至地表和海洋中，最后保存于岩石中。经过短暂的冷却之后，“平流层火山喷发”释放大量温室气体使地表温度迅速升高并形成酸雨，导致陆地和海洋酸化以及海洋缺氧。因此，他们认为，“平流层火山喷发”触发和驱动的一系列全球气候剧烈变化和海洋缺氧等环境恶化，直接导致了奥陶纪末生命大灭绝。

在沈延安看来，该项研究对现代全球气候变化有重要的启示作用。卫星观察数据表明，近50年来平流层的硫酸盐浓度不断升高，一种观点认为是人类活动排放含硫气体造成的，也有研究认为是现代火山不断喷发导致的。很显然，高精度的硫同位素分析能够为探讨这一重要科学问题提供有力的手段。