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中國科普博覽2022-05-24 14:48北京

編者按：“為什么會有大滅絕？”是科學家一直在討論的問題，也被認為是當前最具挑戰(zhàn)性的科學前沿問題之一。

5月18 日 – 6 月12日，中國科普博覽攜手知乎科學，發(fā)起「寫給未來的答案」征集，邀請眾多科研專家、青年學者，回應大家對科學的好奇，為關于未來的問題留下最新的注腳。正值“中國科學院第十八屆公眾科學日”，這也是我們?yōu)榇蠹規(guī)淼摹翱茖W大禮包”之一?！皭劭茖W，向未來”，也許你恰好是相關專業(yè)的從業(yè)者，這些問題觸碰到了你的知識領域；也許你是興趣使然，早已深耕多年，對這些問題有獨到見解；又或者你也有這樣關于未來的問題，期待你一起加入進來，為科學執(zhí)筆，把答案寫給未來。

在原初生命誕生之后的三十多億年里，發(fā)生過無數(shù)次滅絕。學者們憑借著蛛絲馬跡，探尋著這些大災難背后的秘密與規(guī)律。1982年，JackSepkoski與David M. Raup天才般地采用統(tǒng)計方法研究了地質(zhì)歷史時期的生物種類變化，于是，有了古生物圈子人盡皆知的“Big five”(也就是著名的五次生物大滅絕)——奧陶-志留紀大滅絕、晚泥盆世大滅絕、二疊-三疊紀大滅絕、三疊-侏羅紀大滅絕，以及無人不知無人不曉的，白堊-古近紀大滅絕。

Big five 的首秀[1]

這些事件分別摧毀了當時地球上85%、70%、96%、75%與75%的物種，引發(fā)了能夠改變地球整體形貌的巨大變化。當然，這些數(shù)字并不能讓我們直觀地體會到這些災難來臨時的狀況，就像現(xiàn)在，雖然我們正在處于一次巨大的滅絕事件當中，但這無法讓我們直觀地理解消亡本身。

所以我們今天不去談那些過往的，如史詩和傳說一般的大滅絕事件。我們今天聊一個在地質(zhì)歷史時期微不足道的，小型的滅絕事件——當然，雖然它沒有導致末日一般的災害，但是它依然極其重要，甚至在事實上，它比任何一次滅絕事件都與我們更加息息相關。

讓我們回到5550萬年前，這距離上一次大滅絕事件(白堊-古近紀大滅絕)1000萬年左右。在那一個春夏之交，天使吹響了長號，燃燒著的隕石從中天墜落，焚盡了世間的一切，白晝晦暗，星月無蹤。陸地、海洋與天空的主宰者徹底消亡，只留下斷壁殘垣，等待后來者慢慢拾撿。

直徑180公里的?？颂K魯伯隕石坑。影像來源：NASA/JPL-Caltech

不過在災難發(fā)生1000萬年之后，這個世界又重新恢復到一派欣欣向榮之中：哺乳動物迅速輻射，發(fā)展出了多種多樣的類型；爬行動物依舊統(tǒng)治著許多地方，繼承著來自中生代的家業(yè)；輻鰭魚綱開始主宰海洋，它們與新產(chǎn)生的造礁生物一起構(gòu)建了淺海的生態(tài)環(huán)境；甚至孑遺下來的鳥類也占據(jù)著廣泛的生態(tài)位，巨大的冠恐鳥(Gastornis)游走在大地上，似乎在追憶先祖的榮光——一切都繁盛不已，連帶著徹底崛起的被子植物——在這個新世界，大型的植食性哺乳動物還沒有登場，盡管種類稀少，但茂密的森林還是滿滿當當?shù)馗采w著大陸，幾乎沒有留下一點空地。

就在這一片繁盛景象之下，在海洋中，一個意外驟然降臨。

時至今日，這次意外的原因依舊眾說紛紜，不過它的結(jié)果我們卻十分清楚：一種名為有孔蟲的小玩意兒，在這次意外中，迎來了新生代最大的一次滅絕事件。

有孔蟲是一種古老的生物，它的歷史幾乎與整個后生動物類群一樣久遠。它也是我們?nèi)粘Ｗ钊菀滓姷降幕锓N，你甚至可以在家中找到它們——如果你們家中采用了碳酸鹽巖的裝潢材料，那么十有八九你可以在上面找到這玩意兒。當然，假如你家里沒有的話，你可以在周邊的大型商場見到它——幾乎到處都是。

裝潢材料中很常見的有孔蟲化石。只要仔細觀察身邊的這類白色灰?guī)r，基本都能看見(圖源：PaulWilliams, 'Limestone country - Limestone, dolomite and marble', Te Ara - theEncyclopedia of New Zealand,http://www.TeAra.govt.nz/en/photograph/12377/limestone)

當然，不僅僅是現(xiàn)代人，古埃及的法老們也幾乎與它們天天見面，甚至死后也與它們同穴而寢。這些躺在金字塔石塊上的化石動物叫做貨幣蟲(Nummulites)，這是已知的最大的原生生物，由古羅馬時期偉大的地理學家、歷史學家斯特拉波(Strabo)首次記錄——當然，貨幣蟲并沒有在這次意外中滅絕，倒霉的是另外一大類群：底棲有孔蟲。

金字塔上的貨幣蟲，它們被斯特拉波認為是金字塔建造者扔掉的豆子所化。[2]

在這次事件中，底棲有孔蟲數(shù)量銳減，滅絕了全部物種的30%~50%。而與之同時發(fā)生的，則是一次驚人的碳排放事件：根據(jù)估算，大量二氧化碳被排放，速率高達平均每年約4000000000噸——而這樣迅速大量的碳排放，極有可能持續(xù)了整整五萬年[3]。而隨著大氣二氧化碳濃度的不斷升高，地球平均溫度也隨之上漲了5~8℃。這次事件被稱之為“古新世-始新世極熱事件(Paleocene–Eocene Thermal Maximum)”，簡稱，PETM。

PETM在發(fā)現(xiàn)之初，便因為其突如其來的插入以及過大的δ18O偏移值而被當做誤差而舍棄。直到1991年，加州大學圣巴拉拉分校的Jim Kennett在南大洋鉆芯中再次注意到了這個異常的同位素變化：在古新世與始新世的交界處，δ13C與δ18O均出現(xiàn)了異常的漂移[4]。δ18O的偏移對應著溫度的急劇上升，而δ13C的偏移則代表了大氣中二氧化碳含量的激增。

而更有意思的是，除了滅絕之外，有孔蟲類群還出現(xiàn)了更加奇怪的響應——2002年，DeborahThomas注意到，這批鉆芯樣品中的有孔蟲殼體只有PETM之前和PETM的δ13C值，而缺失中間的過渡狀態(tài)[5]。也就是說，在碳排放出現(xiàn)伊始，有孔蟲便停止了繁殖，又或者，碳排放的速度極快，以至于無法被化石記錄下來。

這樣迅速的碳排放很難用一般的火山排氣來解決。雖然格陵蘭島的火山活動也處于同一時間段，但研究人員懷疑它能否實現(xiàn)這樣迅速而廣泛的影響。人們開始將目光投向另外一種重要的碳源——甲烷氣水包合物(Methaneice)。這個名字可能大家并不熟悉，但是它的另外一個名字在十年前可謂是家喻戶曉——可燃冰。

由于這些可燃冰內(nèi)的甲烷是微生物代謝產(chǎn)生的，因此天然具有更加極端的δ13C的負漂移值。在同等情況下，甲烷能夠造成比二氧化碳更為明顯的碳同位素偏移。但是即便如此，也無法解釋為什么δ13C的負偏移幾乎穩(wěn)定的持續(xù)了4.5萬年——除非有額外的碳參與進來。

可是哪里能變出這些額外的碳呢？

福爾摩斯有言：“當你排除了一切不可能之后,剩下的無論多么不合理,也一定就是真相?！彪m然搞科學不能靠排除法來探尋真理，但是這確實是一個極其有用的探路方法——當人們絞盡腦汁也無法補上這額外的碳時，那么這些碳或許只能來自于地球之外——2003年，羅格斯大學的Dennis Kent大膽判斷，導致PETM的大量碳來自于一顆富碳小行星的撞擊[6]。

他的證據(jù)是地層中發(fā)現(xiàn)的單疇磁性納米顆粒，這不同于微生物產(chǎn)生的磁性顆粒，只能來自于外太空中。不過他的想法并沒有受到廣泛的重視。畢竟1000萬年前小行星才撞了一次地球，這又變出一個來，似乎有些，太過頻繁了？

透射電鏡下的單疇磁性納米顆粒

當然，更加重要的反駁主要來自于碳的需求量。如果這次事件是小行星導致的，那么它需要貢獻上千億噸外星碳——這簡直是無法想象的事情。但是，假如小行星并非是主要的碳源貢獻者，而是一個觸發(fā)過程，那么模型或許又會變得很不一樣。小行星的撞擊會加速地球上甲烷水合物的釋放過程，也會誘發(fā)劇烈的火山活動，而它本身攜帶的碳也能夠在短期內(nèi)迅速拉升大氣中的碳含量。而這一切的結(jié)果就是，一次明顯異常的，快速的升溫事件。

那么我們有證據(jù)嗎？第一個證據(jù)是間接的，但非常有趣，2013年，仁斯利爾理工大學的JamesWright和MorganSchaller發(fā)現(xiàn)了一個極其古怪的黏土沉積。它表現(xiàn)為極其均勻的條帶交錯，因此代表著一種周期性的沉積事件。根據(jù)他們的判斷，這一沉積過程是由季節(jié)性的日照導致的。如果他們的判斷正確，那么這一組沉積物就成為了PETM事件中精度最高的參照物[7]。

呈現(xiàn)出規(guī)律性沉積的黏土層

他們測量了黏土中的同位素變化，發(fā)現(xiàn)δ13C的下降速率比以往估計的還要迅速，在短短13年里便下降了千分之四——這并非是個小數(shù)字，二疊紀末大滅絕時的快速升溫事件發(fā)生時穩(wěn)定碳同位素的漂移也不過千分之五，而它的時間尺度則是數(shù)十萬年。極端快速的碳排放似乎使得小行星撞擊變成了更加可信的驅(qū)動因素。

2016年，Morgan Schaller又報道了一個直接證據(jù)，即在美國大西洋沿岸發(fā)現(xiàn)的，位于PETM界線的沖擊玻璃[8]。這是小行星撞擊的一大證據(jù)，但是直到現(xiàn)在，我們?nèi)耘f無法蓋棺定論，因為最為重要的證據(jù)——撞擊坑，至今沒有絲毫線索。

但撞擊坑并不是最大的謎團——真正的謎團在于滅絕。從任何地球化學指標來看，PETM都是災難性的、劇烈的、突如其來的重大變故，但是它卻沒有誘發(fā)一次大滅絕——與之相反的是，這反倒成為了一次重要的輻射事件。

底棲有孔蟲遭遇了巨大打擊，而浮游有孔蟲則迅速演化，占據(jù)了淺表海洋。魚類依舊繁盛，甚至在熱帶地區(qū)迎來了一個小高峰。昆蟲迅速擴張，也迎來了數(shù)量和種類的增長期。而哺乳動物也迎來了光輝燦爛的黎明：偶蹄類、奇蹄類和靈長類在這一事件中暫露頭角——甚至可以說，人類就是起源于這樣的高溫之中，與之相伴的，還有有史以來最大的蛇，以及最小的馬。

最大的蛇——泰坦巨蟒，它的體長或許能超過12m。一般認為，它的出現(xiàn)與當時的高溫環(huán)境密不可分。[9]

看起來，似乎一切都安然無恙，除了倒霉的底棲有孔蟲。

這不是一次激動人心的巨大變革，但那迅速的碳排放卻讓我們感覺似曾相識——PETM或許是地球歷史上最接近于現(xiàn)在的氣候變化事件。但實際上，在工業(yè)革命的加持下，PETM的小行星、火山活動與甲烷水合物只能相形見絀——我們面對的是前所未有的碳排放過程，是PETM這種自然附加意外導致的極端事件的十倍之多。目前人類每年排放的二氧化碳當量約為每年37000000000噸，按照這個速度，我們將在150年后追上PETM所排放的碳總量。在這個尺度下，沒有人能預料接下來會發(fā)生什么。

△A:顯生宙大滅絕事件的次數(shù)與海洋生物滅絕率；B,C: 預估的全球滅絕情況。在碳排放無法得到抑制的情況下，我們很有可能在短期內(nèi)遭遇與過往大滅絕損失相當?shù)臏缃^事件。[10]

“生命會找到出路”——我們無法預判幾千萬年之后發(fā)掘我們這一時代地層時會看到什么。即便從工業(yè)革命算起，人類碳排放的迅速增長也不過兩百多年。在地質(zhì)歷史的尺度來看，200年算得了什么呢？它甚至不足以畫出一條清晰的線條，提供哪怕一個小小的數(shù)據(jù)點。

但是，如果我們真的處于滅絕的序幕，那么我們是否會被記錄就變得不再重要。在我們身后，會有數(shù)千年，數(shù)萬年，數(shù)十萬年的地層記錄下我們所做的一切。它會變成一條緩慢的恢復曲線，而恢復的速度將取決于滅絕的烈度與完全不可預期的正反饋事件。

從未有哪一種生物像今天的人類一樣握住了書寫自然的筆，而要寫下什么，就在此間的抉擇之中。

唯一遺憾的是，序章已經(jīng)開始，我們永遠無法丟掉這支筆。

參考文獻:

[1] Raup DM, Sepkoski JJ, Mass Extinctionsin the Marine Fossil Record[J]. Science, 1982, 215(4539):1501-1503.

[2] Hohenegger J, Kinoshita S, Briguglio A,et al. Lunar cycles and rainy seasons drive growth and reproduction innummulitid foraminifera, important producers of carbonate buildups[J].Scientific Reports, 2019, 9(1). https://doi.org/10.1038/s41598-019-44646-w

[3] Gutjahr M,Ridgwell A, Sexton PF, et al. Very large release of mostly volcanic carbonduring the Palaeocene-Eocene Thermal Maximum[J]. Nature. 2017;548(7669):573-577.

[4] Kennett JP, Stott LD. Abrupt deep-seawarming, palaeoceanographic changes and benthic extinctions at the end of thePalaeocene[J]. Nature, 1991, 353(6341):225-229.

[5] Thomas DJ, Zachos JC, Bralower, et al.Warming the fuel for the fire: Evidence for the thermal dissociation of methanehydrate during the Paleocene-Eocene thermal maximum[J], Geology, 2002,30(12):1067-1070.

[6] Kent DV, Cramer BS, Lanci L, et al. Acase for a comet impact trigger for the Paleocene/Eocene thermal maximum andcarbon isotope excursion[J]. Earth & Planetary Science Letters, 2003,211:13-26.

[7] Wright JD, Schaller MF. Evidence for arapid release of carbon at the Paleocene-Eocene thermal maximum[J]. Proceedingsof the National Academy of Sciences of the United States of America, 2013,110(40):15908-15913.

[8] Schaller MF, Fung MK, Wright JD, et al.Impact ejecta at the Paleocene-Eocene boundary[J]. Science, 2016, 354(6309):225-229.

[9] Head JJ, Bloch JI, Hastings AK, et al.Giant boid snake from the Palaeocene neotropics reveals hotter past equatorialtemperatures[J]. Nature, 2009, 457(7230): 715-717.

[10] Penn JL, Deutsch C. Avoiding oceanmass extinction from climate warming[J]. Science, 2022, 376(6592): 524-526.

出品：中國科普博覽×知乎

作者：破滅的Sunny 知乎古生物學優(yōu)秀答主

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