約2.52億年前，地球上發(fā)生了一次最大規(guī)模的生命滅絕事件，此后海洋中古生代類型的生物被現(xiàn)代型生物所取代，其中雙殼類貝殼動(dòng)物取代腕足類，全面接管了海洋生物群落。
這兩類生物的“統(tǒng)治之爭”緣何發(fā)生?中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)陳中強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)外合作者，利用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行古生態(tài)模擬分析，發(fā)現(xiàn)大滅絕事件與環(huán)境因素是導(dǎo)致這兩類生物在海洋生物群落的統(tǒng)治地位上發(fā)生取代的根本原因，相關(guān)研究成果近日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，雙殼類與腕足類并不存在顯著的競(jìng)爭關(guān)系。值得注意的是，在轉(zhuǎn)折的關(guān)鍵時(shí)期，即大滅絕后，急劇升高的海水溫度限制了腕足動(dòng)物的生存與復(fù)蘇，但雙殼類沒有受到影響。
釋疑
地大學(xué)者分析33萬條化石記錄釋疑
腕足類動(dòng)物“一夜之間”大滅絕:不是競(jìng)爭失敗，而是適者生存
9月13日，記者從中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)獲悉，該校陳中強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)通過古生態(tài)模擬分析發(fā)現(xiàn)，2.52億年前雙殼類與腕足類動(dòng)物進(jìn)化不存在顯著的競(jìng)爭關(guān)系，對(duì)古生物學(xué)教科書上最為典型的生物取代案例的驅(qū)動(dòng)力假說提出質(zhì)疑。
大滅絕之前
腕足類是海洋生物群落“統(tǒng)主”
海洋里的腕足類動(dòng)物，例如海豆芽、酸漿貝；雙殼類動(dòng)物，例如蛤蜊、扇貝，都由兩瓣殼組成，腕足類的兩瓣殼大小不一致，雙殼類兩瓣殼大小一致，兩者形態(tài)相似，生態(tài)位置重疊。在2.52億年前(即二疊紀(jì)-三疊紀(jì)之交)的生物大滅絕之前，腕足類在海洋生物群落中占據(jù)絕對(duì)的統(tǒng)治地位；大滅絕發(fā)生后，雙殼類崛起，兩者在海洋生物群落中的地位對(duì)調(diào)。
陳中強(qiáng)介紹，大多數(shù)腕足類動(dòng)物和雙殼類動(dòng)物都棲息在海底，找到合適的位置后，便固定住，不再移動(dòng)，兩者很少同時(shí)出現(xiàn)在一片海底。因此，科學(xué)家推測(cè)，兩者存在競(jìng)爭關(guān)系，它們爭搶海底地盤，贏者繁衍生息，敗者黯然退場(chǎng)。也有觀點(diǎn)認(rèn)為，生物大滅絕期間的環(huán)境變化才是兩者地位發(fā)生轉(zhuǎn)變的原因。
兩類生物取代事件與大滅絕
似乎發(fā)生在“一夜之間”
“化石記錄顯示，腕足類是古生代海洋中最常見的底棲生物，無處不在，雙殼類在古生代海洋中則為邊緣成員。大滅絕之后，兩者的地位發(fā)生了對(duì)調(diào)。更為神奇的是，這兩類生物的取代事件與大滅絕同時(shí)，似乎發(fā)生在‘一夜之間’。”陳中強(qiáng)說，早在一個(gè)多世紀(jì)前科學(xué)家就關(guān)注此現(xiàn)象，但關(guān)于生物取代的驅(qū)動(dòng)力一直懸而未決。
為了解決這一爭論，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)陳中強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)與英國布里斯托大學(xué)邁克·本頓教授團(tuán)隊(duì)合作，利用高性能計(jì)算機(jī)，對(duì)五億年來的近33萬條關(guān)于腕足動(dòng)物和雙殼動(dòng)物化石記錄進(jìn)行了厘定和修正，計(jì)算出這兩類生物在長時(shí)間尺度下的新生與滅絕速率，結(jié)果表明兩者在侏羅紀(jì)之前具有相似的演化趨勢(shì)。
“如果說兩者存在競(jìng)爭，新生率和滅絕率應(yīng)該是此消彼長的。”陳中強(qiáng)解釋道，生態(tài)模擬分析證明，兩者新生率和滅絕率差不多，這就排除了兩者的競(jìng)爭，相反可能受相同的外部環(huán)境變化的影響。
海洋高溫延續(xù)近500萬年
腕足類無奈“窒息而亡”
那到底具體是什么原因?qū)е铝藘烧呓y(tǒng)治地位的轉(zhuǎn)換?研究團(tuán)隊(duì)將二疊紀(jì)-三疊紀(jì)時(shí)期的海平面升降、海水含氧量、海水溫度、大陸地塊變化等環(huán)境因子納入綜合模擬分析，發(fā)現(xiàn)海水溫度變化是導(dǎo)致兩類生物多樣性演化率分異的重要原因。
陳中強(qiáng)介紹，生物大滅絕期間，由于大規(guī)模的火山作用，海水溫度急劇升高約8-10℃。大滅絕后海洋維持高溫狀態(tài)，延續(xù)近500萬年。在此期間，赤道附近海洋表面溫度最高可達(dá)40℃。溫度上升后，海洋生物需要加快呼吸來獲得氧氣，許多雙殼類動(dòng)物介殼發(fā)育微細(xì)孔隙，“呼吸”相對(duì)順暢，腕足類則缺少此類微細(xì)孔，無奈“窒息而亡”。因此，2.52億年前的大滅絕事件對(duì)腕足類動(dòng)物打擊非常嚴(yán)重，相反，雙殼類受此影響不大，導(dǎo)致腕足類-雙殼類統(tǒng)治地位的轉(zhuǎn)換。大滅絕后海洋的高溫狀態(tài)進(jìn)一步加劇了這一轉(zhuǎn)換過程。
“此研究強(qiáng)調(diào)了環(huán)境因素對(duì)生物宏演化歷史的塑造作用，面對(duì)如今全球快速變化的氣候環(huán)境，如何進(jìn)行生物保護(hù)，避免腕足類悲劇的發(fā)生是迫切需要考慮的問題。”文章第一作者郭鎮(zhèn)說。
追問
2.52億年前，那場(chǎng)高溫野火到底有多猛?
約81%的海洋生物和89%的陸地生物在短時(shí)間內(nèi)滅絕
據(jù)中科院微信號(hào)“中科院之聲”5月26日消息，二疊紀(jì)末高溫野火事件導(dǎo)致熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)崩潰。
2.52億年前的二疊紀(jì)末生物大滅絕嚴(yán)重破壞了海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致約81%的海洋生物和89%的陸地生物在短時(shí)間內(nèi)滅絕。近期，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所晚古生代研究團(tuán)隊(duì)研究員張華、碩士研究生角升林和博士蔡垚峰，聯(lián)合南京大學(xué)和云南大學(xué)，通過高精度的生物標(biāo)志化合物多環(huán)芳烴有機(jī)地球化學(xué)分析，證實(shí)了二疊紀(jì)末存在大規(guī)模高溫野火燃燒事件，為探索該時(shí)期陸地生態(tài)系統(tǒng)的崩潰過程提供了重要證據(jù)。
特提斯周緣強(qiáng)烈的酸性火山活動(dòng)和西伯利亞大火成巖省通過釋放大量溫室氣體和有毒氣體，導(dǎo)致全球變暖，而干旱和高溫的氣候條件使得野火事件顯著增加。野火事件產(chǎn)生的多環(huán)芳烴(PAHs)有很強(qiáng)的化學(xué)惰性和生物惰性，能夠在地層中長期穩(wěn)定保存，成為恢復(fù)古代野火歷史常用的一類指標(biāo)。然而，全球二疊紀(jì)-三疊紀(jì)轉(zhuǎn)折期關(guān)于多環(huán)芳烴的研究多基于海相記錄，而對(duì)陸相材料的研究程度相對(duì)不足。因此，利用陸相記錄探索該時(shí)期野火事件，對(duì)剖析二疊紀(jì)–三疊紀(jì)轉(zhuǎn)折期陸地生態(tài)系統(tǒng)的崩潰和植被的演替過程具有重要意義。
導(dǎo)致熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)崩潰
科研團(tuán)隊(duì)利用中國華南海陸過渡相的冷清溝剖面鉆探巖心開展了高精度的生物標(biāo)志化合物多環(huán)芳烴有機(jī)地球化學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn)，在二疊紀(jì)–三疊紀(jì)轉(zhuǎn)折時(shí)期，多環(huán)芳烴含量均顯示較為一致的顯著富集，并與有機(jī)碳同位素負(fù)異常呈耦合關(guān)系，表明在該時(shí)期高溫且干旱的古氣候條件下存在大規(guī)模高溫野火燃燒事件。在這些多環(huán)芳烴化合物中，低分子質(zhì)量的二苯并呋喃(DBF)等化合物主要來源于陸地植物多糖和木質(zhì)素的生物降解，這些化合物在二疊紀(jì)–三疊紀(jì)轉(zhuǎn)折期的異常富集以及與燃燒源多環(huán)芳烴之間的協(xié)同變化，表明多環(huán)芳烴主要來源于陸地植物的高溫野火燃燒，且該時(shí)期的熱帶雨林植被系統(tǒng)為大規(guī)模野火燃燒提供了充足的燃料。
此外，早三疊世極低的多環(huán)芳烴含量和明顯變化的多環(huán)芳烴參數(shù)指標(biāo)表明，在經(jīng)歷陸地二疊紀(jì)末生物大滅絕事件后，陸地生態(tài)系統(tǒng)受到影響，分布于古特提斯洋東岸地區(qū)高度多樣化的熱帶雨林消失，取而代之的是草本石松類植物所代表的“草地”植被系統(tǒng)，在一定程度上印證了大羽羊齒植物群在二疊紀(jì)末期發(fā)生了“快速”的絕滅。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《地球與行星科學(xué)通訊》(Earth and Planetary Science Letters)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。
揭秘
二疊紀(jì)末期大滅絕之后 地球用了1000多萬年才“活”過來
2.52億年前的二疊紀(jì)末期大滅絕之后，陸地生態(tài)系統(tǒng)花費(fèi)多長時(shí)間才恢復(fù)?陸地生物又是如何恢復(fù)的?
中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合有關(guān)國際研究團(tuán)隊(duì)首次利用數(shù)學(xué)模擬等技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，大滅絕之后的陸地生態(tài)系統(tǒng)耗時(shí)1000多萬年才得以恢復(fù)。新研究還揭示了該階段的生物復(fù)蘇過程。
記者近日從中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)陳中強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)了解到，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，2.52億年前的大滅絕比其他滅絕事件對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)更具破壞性，幾乎每20個(gè)物種中就有19個(gè)滅絕，僅有5%的物種存活下來，生態(tài)系統(tǒng)需要重新建立。
“大滅絕后，少數(shù)高級(jí)消費(fèi)者和生態(tài)系統(tǒng)底層的微生物等幸存了下來。比如二齒獸，在此后一段時(shí)間里一統(tǒng)江湖，成為陸地之王。”陳中強(qiáng)解釋。
“但是食物鏈中間環(huán)節(jié)的斷裂和殘缺，使得地球陸地生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱，難以承受惡劣環(huán)境帶來的毀滅性打擊，以至于地球要花上1000多萬年的時(shí)間來慢慢恢復(fù)往日的生機(jī)。”陳中強(qiáng)說。
陳中強(qiáng)介紹，團(tuán)隊(duì)首次運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模擬技術(shù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)和計(jì)算系統(tǒng)，針對(duì)產(chǎn)自我國新疆地區(qū)二疊系-三疊系地層中數(shù)萬多條化石記錄信息，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。
“通過系統(tǒng)研究生物化石保存的形態(tài)功能特征、牙齒、胃容物和糞便化石，可以知道不同生物之間的捕食關(guān)系。”陳中強(qiáng)解釋，把古食物鏈金字塔分為初級(jí)生產(chǎn)者、初級(jí)消費(fèi)者、次級(jí)乃至高級(jí)消費(fèi)者等關(guān)系，就像人們熟悉的大魚吃小魚，小魚吃蝦米。
研究中的古食物網(wǎng)由植物、軟體動(dòng)物、生活在湖泊中的昆蟲、魚類、兩棲類和四足動(dòng)物構(gòu)成。這些四足動(dòng)物小到蜥蜴類、大到巨型植食性動(dòng)物，其中也包含掠食者。
當(dāng)這些動(dòng)物滅絕后，接下來的1000多萬年間，沒有生物接替它們的位置，從而形成了極不穩(wěn)定、脆弱的陸地生態(tài)系統(tǒng)。此后，恐龍和哺乳動(dòng)物在三疊紀(jì)晚期開始出現(xiàn)。
“在此之前，我們可以描述古食物網(wǎng)，但很難定量測(cè)試它們的穩(wěn)定性。”陳中強(qiáng)說，對(duì)古食物網(wǎng)的深入研究或?qū)槲磥淼纳鷳B(tài)系統(tǒng)管理提供啟示。
整合:黃亞嵐
綜合:新華社、中科院微信號(hào)“中科院之聲”、湖北日?qǐng)?bào)、澎湃新聞、中國青年網(wǎng)
鏈接：腕足類“統(tǒng)主”為何喪失海底家園?竟是海水升溫窒息而亡-南方都市報(bào)·奧一網(wǎng) (oeeee.com)
（原載《南方都市報(bào)》2023年11月16日）
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