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“地球上曾住著一億五千萬種生物,它們99%都滅絕了”

來源:用戶 薩滿巫師 收藏 編輯:王阿強

宋海軍,中國地質大學(武漢)教授。

如果是這種情況,我們會不會有第六次生物大滅絕呢?

生物大滅絕

大家好,我叫宋海軍,來自中國地質大學(武漢)。

在談大滅絕之前我想先問一個問題,大家知不知道現在地球上有多少種生物?幾萬、幾十萬,還是幾百萬?幾百萬。大家猜得非常準,實際上是150萬。

這個數字聽起來非常多,但其實只占地球曾經擁有的物種很少一部分,只占1%。也就是說我們地球上曾經居住著一億五千萬種生物,它們99%都滅絕了。

我們一般把滅絕分兩種,一種叫背景滅絕。就是達爾文在《進化論》中說的適者生存,不適者被淘汰。比如在我們人類演化的過程中,有很多物種就是這樣被淘汰的。

從五百多萬年前的古人類演化到現今的人類,經歷了很多中間物種,它們很多都已經滅絕了,比如地猿、南方古猿、能人、直立人、尼安德特人等等。而延續到現在的,地球上目前只有兩個,一個是黑猩猩,一個就是現在的人類,這些中間物種的滅絕我們就稱為背景滅絕。 

另外一種叫大滅絕。我們從字面意義上就可以理解,就是很多生物在很短的時間內同時滅絕。

這張圖展示的就是地球五億多年以來生物多樣性的變化。大家可以看到,生物多樣性的曲線有高有低,低的時候就代表生物多樣性劇減的情況,也就代表著生物大滅絕。

|Sepkoski, 1984

到目前為止,地球歷史上有五次非常大的滅絕事件,它們分別發生在4.3億年前的奧陶紀末,3.7億年前的晚泥盆世,2.5億年前的二疊紀末,2億年前的三疊紀末,以及6500萬年前的白堊紀末,恐龍的滅絕就是在最后一次。 

我今天主要想跟大家講的就是最大的一次,發生在2.5億年前的這一次。古生物學家根據化石記錄進行了一個初步估計,認為這幾次大滅絕的滅絕率基本上都在80%左右。其中最小的一次就是最后恐龍滅絕這一次,可能它的種級滅絕率只有76%。最大的就是2.5億年前的這一次,種級滅絕率可能達到了95%,也就是100個種里95個都滅絕了,只剩下了5個。 

|估算的滅絕率

到底是不是這樣呢?2.5億年前這一次大滅絕,到底有多少物種滅絕了呢?這是大家非常關心的一個問題,也是我主要研究的一個問題。

如何研究大滅絕呢?我們一般是選擇海洋里面的生物進行研究,就是海洋中的化石。海洋中的這些生物死了之后很容易就沉到了海底,被海底的泥沙掩埋,這樣越埋越深,越深之后它的壓力和溫度就會很高,所以這些沉積物就被轉化成巖石。這些生物就跟著巖石一起轉化為了化石。

當地層在碰撞的時候可能就會造山,兩個地層這樣一碰撞相互擠壓,地下的巖石就被抬到了山上,化石就跟著巖石一起被抬到了山上,這也是我們找化石為什么一般去山上的一個原因。 

這是貴州貴陽附近的一個小山包。大家可以看到這里的地層還是水平的,說明當時這個地方是一個海洋,當然在2.5億年前我們現在所在的上海也是海洋。 

當時在這個地方就沉積了很多這樣的沉積物,靠近下邊的這些沉積物一般形成得比較早,我們按照時間順序把這套地層進行編號。這段地層大概有兩米多厚,大家可以猜一猜,代表多少時間呢?20萬年。

我們一般在野外發現的化石都是大化石,也就是我們肉眼可以看到的,一般是幾厘米或者幾十厘米,甚至幾米大的化石。

這個是魚的化石。 

這個是菊石,是已經滅絕的一種生物。 

這個是腕足動物的化石。

這些都是大化石,肉眼可以看到。實際在這些巖石里面還有很多非常微小的化石,我們稱之為微體化石,它們的個體通常小于一毫米,所以在野外我們很難看到它,因為肉眼看不到。怎么辦呢?我們一般是把石頭先采回來,通常每一層采個幾公斤,然后對它進行處理。 

一種就是通過化石溶解,把這些石頭用一些酸溶解掉,然后里面的化石就會露出來,我們再在顯微鏡下把化石挑出來。比如說我們現在看到的這個化石,它的大小可能只有幾百微米,也就是零點幾個毫米,只有通過這種方法把它處理出來。

|牙形石

還有另外一種化石,它的成分跟巖石一樣,所以我們沒法通過化學溶解把它取出來。這時候一般把這個石頭磨成薄薄的一個片子,然后把它放在顯微鏡下,通過內部結構來對它進行生物學鑒定。

|有孔蟲化石

就這樣我們把獲得的這些大化石,和在實驗室獲得的這些微化石,一起進行古生物學研究。

比如說ABCDE五個種,A實際上是在一層、二層、三層和四層出現,所以我們就把它放在這樣一個投點上。然后再把這四個點連成一條線,就代表了這個種在當時生活的年限,也就是從第一層生活到第四層,生活了這么久。

就這樣我們把所有種的年限都畫出來,就得出了這樣一個圖。

從這個圖上就可以看到,種A到種D在第四層就滅絕了,因為它們以后再也沒有出現了,而種E它在五層、六層、七層還有出現,所以它沒有滅絕。 

針對2.5億年前的這次滅絕,我們就在中國很多地方找了很多化石,總共有500多個種,把它們的年限投到這樣一個圖上。大家可以看到這張圖上有五百多根線,這么多線,大部分都在中間這一段地層里面消失了,沒有延續上去,說明這些物種都滅絕了。這段地層是三萬年左右,也就是說在這三萬年絕大多數物種都滅絕了。

而且滅絕經歷了兩個階段。大家應該也能看得出來,第一幕這兒有一個階段很多物種一起消失了,第二幕這兒還有一個階段也都一起消失了。也就是經過這兩個階段,總共有91%的海洋物種滅絕了。這跟之前科學家估計的95%的滅絕率是非常接近的。

對于不同的類別來說,滅絕的情況是不一樣的,有些類別受影響比較大,有些類別受影響比較小。我們看一看受影響比較大的,其中有一類叫三葉蟲,可能在座的有人認識它。是一種比較常見的化石,特別是在五億年前的海洋中它是占主導,海洋中基本上全是它。這一類生物就在這一次滅絕中徹底消失了,以后再也沒有了。 

另外一種是四射珊瑚,也就是當時主要的造礁生物,它也是在這一次滅絕事件中完全消失了。我們現在海洋里面的珊瑚已經不是四射珊瑚了,是以六射珊瑚為主。 

這是滅絕得比較嚴重的。我們再來看一看哪些生物幸存了呢?左邊這張圖展示的是在滅絕前海洋里面的生物主要由哪些組成。我們可以看出,在滅絕前,固著型的,像珊瑚一樣是固著在海洋底下的,這類生物占主導,它占了68%。

|左:滅絕前 右:滅絕后

但是滅絕后這樣一個結構金字塔發生了倒轉,這種游泳類的動物開始占據主導。為什么呢?我們在回答這個問題之前,首先看一下都有哪些游泳類的生物在這里出現。

這個就是滅絕之后發現的一類魚化石。大家可以看到它的復原圖,跟現在的魚長得還是比較像的。

另外一個是牙形類,這是它的微體化石,它的復原圖可以看出也是像魚形狀的一類生物,實際上它不是魚,是一個比較低等的脊椎動物。

從這兩種生物的體形上,我們都能看得出來它們是善于游泳的。 

我們再來看這種菊石,現在海洋中已經沒有了,因為它跟恐龍一起徹底滅絕了,但是在這一次滅絕之后還是比較常見的。這些就是我們在野外挖掘的一些化石,從它的復原圖上我們也可以看出它是一個比較兇的捕食者,也是比較善于游泳的。 

當然我們都沒見過它,但是我們一定有同志見過它的近親,就是這一類生物,叫鸚鵡螺。這個就是在現代海洋里面拍的一個短視頻,這一類生物也是善于游泳的。

為什么善于游泳的生物能在滅絕事件中這么幸運?我們現在初步是這樣認為的,因為當時的海洋條件是非常差的,到處都不適合生物生存。游泳的生物可以在比較短的時間內逃離這些不好的環境,找到相對舒服一點的環境待著,所以它們可以幸存。所以如果我們想要在大滅絕中活命,我們也要先學會游泳,有機會逃離這些災難。

我們再來看看這一類,叫雙殼,也就是在海邊經常撿到的這些貝殼類。

這類生物它是底棲的,大家可能對它比較熟悉,有一道比較有名的菜叫蒜蓉粉絲扇貝。這一類生物它平時是趴在海洋底下的,也就是說一般情況下它應該不會游泳。這類化石在這段地層中是比較常見的,走到野外就很容易找到。它們是怎么幸存下來的呢?實際上這類生物它也會游泳,它通過扇動兩瓣殼來游泳。

所以說游泳很重要,連這種平時都不怎么游的都學會游泳了。沒辦法,如果不游它也活不到現在。

我們再來看另外一種比較特殊的,叫腕足動物。跟剛才看到的貝類非常像,但是完全不是一種,這一類是徹底不會游泳的。現在海洋中還有少量的。它們是固著的,它們有一個肉莖,通過肉莖把自己的身體固著在海底,也就是說它這一輩子只生活在一個地方,不會移動的。

實際上這類生物在滅絕后非常少見,我們在全國很多地方去找它的化石,包括西藏,也只找到很少的幾個種少量的標本。但是它又是如何幸存的呢?看一下我們做的一個系統的研究。

我們發現滅絕前這類生物長得比較大,大的可以達到十幾厘米,而滅絕后它們變得非常小,只有一厘米左右,也就是說它讓自己變小以幸存下來。 

| 左:滅絕前 右:滅絕后。Chen & Song et al., 2019, Palaeo3

變小可以幸存嗎?可以的。為什么?大家都知道,個子小或長得比較苗條,一般吃得就比較少,它對食物的需求就少,更為重要的是它對氧氣的需求也變得非常低,所以能在這種極端的環境下幸存下來。所以我們總結一下怎樣才能在滅絕中幸存,就是少吃多游泳。

我們再來看一下大家比較關心的一個問題,什么原因導致生物大滅絕的呢?

一種比較流行的觀點是地外的小行星或者慧星撞擊地球。這種撞擊肯定會對地球帶來很大的影響。比如說它會帶來磁極倒轉,在陸地上可能會帶來大火,在海洋中可能引發巨型的海嘯,這些肯定會對地球的生物帶來很大的影響。

目前也有科學家發現了當時撞擊的一些證據,其中一個就是這個隕石坑。科學家在澳大利亞西北部發現了這個隕石坑,它的時間是2.5億年前左右,也就是跟滅絕發生的時間差不多。

|Becker et al., 2004, Science

然后還找到了其中的一種礦物,叫撞擊石英。 

|Becker et al., 2004, Science

這種礦物是在高壓高溫下形成的礦物,一般僅發生在撞擊的時候,所以它的出現往往代表著這兒有撞擊事件。這些證據表明這里確實有個撞擊坑,但是這個撞擊跟滅絕有沒有關系呢?我們目前認為沒有太大的關系,可能僅僅是一個小型的撞擊坑,它的質量和速度可能都不夠大,引發不了滅絕。

為什么這么說呢?因為恐龍滅絕的時候就是有一個很大的撞擊,這個外星在撞擊地球的時候形成了很多塵埃。就是外星把自己撞碎,撞碎的這些塵埃會飄在地表的大氣中,所以整個地表的大氣都會有這樣外星物質。這些外星物質最后還是要沉積到地球表面,所以在全球各個角落都能發現這些物質,特別是其中的一個元素,銥元素。但是在2.5億年前的很多地層中就沒有發現類似的元素,以及其他的外星物質。

另外一個證據就是我剛才提到的,我們發現生物在這個時候它是在兩個階段滅絕的,這在一定程度上也否認了地外原因。因為外星撞擊一般是巨大的,一般會帶來短時間的快速的一次滅絕。 

如果不是外星,那是什么原因呢?目前還有一種比較主流的觀點,認為是火山。因為當時確實發生了一個超大規模的火山爆發,很有可能是地球形成以來最大規模的一個陸地火山爆發。它位于俄羅斯北部的西伯利亞。

它有多大呢?它噴出來的巖漿形成的這些巖石,占地有150萬平方公里,厚度有1000米。可能大家沒概念,如果把這些巖漿鋪到我們中國,能把整個中國鋪滿,而且厚度是150米。

這肯定是一個巨大的火山,這么大的火山肯定對當時的,特別是火山周邊的生物帶來了極端的影響。更為重要的是,伴隨著火山爆發會噴出很多溫室氣體,比如二氧化碳、甲烷。這些溫室氣體會影響地表氣候,使氣候變得非常不適合生物生存,會對生物帶來致命的影響。

我們已經找到了有關的證據。這個是我的同事孫亞東通過牙形石做的研究,就是剛才我們提到的那一類微化石,它是這類生物的牙齒部位。大家都知道牙齒是我們骨骼中最致密的一部分,所以即使它形成了化石,它也能保存很多當時的信息。

我們把里面的化學信息提取出來,恢復了當時的古溫度變化,發現平均溫度在滅絕的時候升高了十多度,也就是從滅絕前的二十多度升高到了滅絕后的三十多度,而且這個升溫跟滅絕是完全同步的,所以很有可能是溫度升高引發的這樣一個滅絕。

| Sun etal., 2012, Science

而且我也通過對牙形石里面的微量元素的研究,恢復了當時海洋里面海水氧含量的變化,發現在滅絕的時候海水的氧氣大量減少,出現缺氧現象。這個事跟這次滅絕也是同步的,所以表明缺氧跟大滅絕也有關。也就是說火山帶來的氣候變化對當時的生物是一個致命的打擊。 

|Song et al., 2012, EPSL

除了我們剛才提到的這些溫室氣體,還有一些其他氣體,比如硫化氫、二氧化硫這些會給陸地帶來酸雨,此外還有氟化氫,這種劇毒氣體,如果噴多了,可以直接導致它們的死亡。

我們當前也面臨著一個類似的情況。大家可能都知道,當前地表正在升溫,碳排放正在加劇,所以就有科學家提出,現在會不會再有一次生物滅絕事件,也就是說會不會有第六次生物大滅絕。 

這張圖展示的是過去一百多年年平均溫度的變化。

|Gemiddelde temperatuur 1880–2017

我們可以看出,從1920年到現在,整整一百年,地表的溫度已經升高了一度。這一度的升高對地球帶來了影響沒有?不知道大家感覺到了沒有。沒有嗎?也可能有同志感覺到了,夏天空調會用得多一些。

實際上這一度的升溫已經對地球帶來了很大的影響,大家看看這張圖,這張圖展示的是來自太平洋一個地方的海水的氧含量,這個藍色的就代表氧含量很低,就是因為這一度的升溫,海水低氧帶在過去幾十年正在擴張。 

大家可能不知道,海洋里面的生物90%以上是生活在淺水,也就是200米以上的水域,所以低氧帶一旦擴張到200米附近,對海洋里面的生物就是一個巨大的打擊。即便是現在這種微弱的擴張,已經對海洋里面的生物帶來了很嚴重的影響。

我們來看一下,這是海洋里面的珊瑚,非常好看,五顏六色的。

但是現在有些海域,比如說大堡礁,以及巴哈馬一些區域,里面的珊瑚已經成這個樣子了,是白色的,我們稱之為珊瑚白化,白化就意味著它已經死亡了。

大家還記不記得我剛才講到2.5億年前的最大滅絕的時候,首當其沖的就是其中的一種珊瑚。所以我們現在的海洋中正在發生的事跟2.5億年前非常類似。 

我們再來看一下過去半年,也就是2018年下半年到現在的海洋里面的珊瑚礁的變化。在這個圖里面,黃顏色代表生物礁已經受到了影響,紅顏色代表它已經嚴重受到了影響,我們可以看出很多水域里面的珊瑚礁已經受到了影響。 

這是升高一度帶來的變化。我們再來看一看更長時間尺度的,也就是過去兩萬年氣候是怎么變的。下面這張圖展示的是兩萬年以來溫度的變化,可以看到平均溫度在過去兩萬年升高了4度。

升高4度帶來什么影響呢?我們看上面這張圖,這4度的升溫讓海平面上升了接近100米。因為溫度一升高,位于大陸上的或者兩極地區的冰川會融化,融化的水會流進海洋,導致海平面升高。所以說目前兩萬年4度的升溫對應100米的海平面升高,如果我們當前的溫度再繼續上升,海平面還會繼續升高。

這張圖是如果海平面上升50米,我們國家的海岸線的變化。大家看一看你們的家鄉,是不是已經在海里了?特別是我們現在在的地方——上海,已經在海里了,因為上海的平均海拔只有幾米。 

北京的平均海拔也只有40米,到時候北京也是海了。包括武漢,很多地方都是海,所以說這個氣候變化跟我們人類還是有非常緊密的關系。 

這種情況到底會不會發生呢?我們再來看一下這張圖,這張圖展示的是過去40萬年以來溫度的變化。大家有沒有看出什么規律性?它有明顯的周期性,一高一低,一高一低,再一高再一低。 

因為我們現在所處的位置就是最高的位置,所以未來如果按照這個規律變化,我們的溫度應該是會降低。

如果溫度降低,像歐洲、加拿大它們就不愿意了。因為它們的地區會再一次形成冰川,被冰川覆蓋。但是我們上海人應該比較愿意,到時候海平面再下降,我們就有更多的土地來建房子了。 

另外一種情況,就像過去一百年,我們過去一百年不是升高了一度嗎?如果按照這個速率,未來幾百年、一千年就會升高接近10度。如果是這種情況,那很有可能會引發第六次生物大滅絕。

所以到底是哪種情況呢?目前還不好說,但是已經有一個信號了。大家可以看看這張圖,這張圖展示的是過去40萬年以來溫度跟二氧化碳的曲線。

大家看出來什么規律沒有?這兩條曲線長得非常像,變化基本是一致的,也就是說我們的溫度的變化主要是受控于二氧化碳濃度的變化。

但是現在有一個不好的消息是,我們現在的二氧化碳濃度已經上升到了一個比較可怕的值,這個值已經偏離了過去40萬年以來的最高值,所以說這很有可能意味著我們的溫度也會偏離這個周期規律。

但不管怎么說我們都要愛護我們的地球,保護環境,否則我們要想跟東方明珠塔合個影都很吃力。

好,謝謝大家。

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