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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”，這也是我們為大家帶來的“科學大禮包”之一。“愛科學，向未來”，也許你恰好是相關專業的從業者，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，發生過無數次滅絕。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律。1982年，JackSepkoski與David M. Raup天才般地采用統計方法研究了地質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，引發了能夠改變地球整體形貌的巨大變化。當然，這些數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公里的希克蘇魯伯隕石坑。影像來源：NASA/JPL-Caltech

不過在災難發生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，發展出了多種多樣的類型；爬行動物依舊統治著許多地方，繼承著來自中生代的家業；輻鰭魚綱開始主宰海洋，它們與新產生的造礁生物一起構建了淺海的生態環境；甚至孑遺下來的鳥類也占據著廣泛的生態位，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地覆蓋著大陸，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。它也是我們日常最容易見到的化石物種，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巖，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，底棲有孔蟲數量銳減，滅絕了全部物種的30%~50%。而與之同時發生的，則是一次驚人的碳排放事件：根據估算，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在發現之初，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[5]。也就是說，在碳排放出現伊始，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。

由于這些可燃冰內的甲烷是微生物代謝產生的，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的負偏移幾乎穩定的持續了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。”雖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]。

他的證據是地層中發現的單疇磁性納米顆粒，這不同于微生物產生的磁性顆粒，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，也會誘發劇烈的火山活動，而它本身攜帶的碳也能夠在短期內迅速拉升大氣中的碳含量。而這一切的結果就是，一次明顯異常的，快速的升溫事件。

那么我們有證據嗎？第一個證據是間接的，但非常有趣，2013年，仁斯利爾理工大學的JamesWright和MorganSchaller發現了一個極其古怪的黏土沉積。它表現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。根據他們的判斷，這一沉積過程是由季節性的日照導致的。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]。

呈現出規律性沉積的黏土層

他們測量了黏土中的同位素變化，發現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——這并非是個小數字，二疊紀末大滅絕時的快速升溫事件發生時穩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動因素。

2016年，Morgan Schaller又報道了一個直接證據，即在美國大西洋沿岸發現的，位于PETM界線的沖擊玻璃[8]。這是小行星撞擊的一大證據，但是直到現在，我們仍舊無法蓋棺定論，因為最為重要的證據——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，占據了淺表海洋。魚類依舊繁盛，甚至在熱帶地區迎來了一個小高峰。昆蟲迅速擴張，也迎來了數量和種類的增長期。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，它的出現與當時的高溫環境密不可分。[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在的氣候變化事件。但實際上，在工業革命的加持下，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生什么。

△A:顯生宙大滅絕事件的次數與海洋生物滅絕率；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遭遇與過往大滅絕損失相當的滅絕事件。[10]

“生命會找到出路”——我們無法預判幾千萬年之后發掘我們這一時代地層時會看到什么。即便從工業革命算起，人類碳排放的迅速增長也不過兩百多年。在地質歷史的尺度來看，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據點。

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，會有數千年，數萬年，數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 知乎古生物學優秀答主

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