崔莹、李明松
二叠纪末大灭绝想象图。2.5亿年前致命的西伯利亚熔岩流入大海，史前生命的最后一瞥。绘图：H. Duan
2.5亿年前的二叠纪末期，地球上发生了历史上最大规模的生物集群灭绝事件，大约81%的海洋物种快速消失(Fan et al., 2020; Stanley, 2016)。灭亡程度最高的海洋动物包含三叶虫、钙质海绵、四射珊瑚、床板珊瑚、腕足动物、苔藓动物、棘皮动物等。这些动物大多具有以下生理特征：1）具有钙质外壳（碳酸钙成分）；2）新陈代谢率低；3）呼吸系统较弱；4）固着在海底不能自主游动（底栖）。牙形石和海葵等生物由于不具有这些生理特征，在大灭绝中受到的影响较小。
图1 二叠纪末古地理图。点1为挪威Finnmark 台地，点2为东格棱兰Kap Stosch，点3为煤山GSSP剖面，点4为伊朗Kuh-e-Ali Bashi。
一般认为二叠纪末的生物大灭绝事件是由西伯利亚大火成岩省产生的火山活动所导致，但究竟火山喷发对环境造成的破坏有多大呢？美国新泽西州Montclair State University助理教授崔莹及其合作者近日发表于美国国家科学院院刊的最新研究：通过对二叠纪末生物灭绝事件进行了系统的有机地球化学、天文年代学以及地球系统模型的研究，认为西伯利亚大火成岩省快速释放大量的CO2及气候和环境变化导致了二叠纪末生物大灭绝 (Cui et al., 2021)。
崔莹及其研究团队对来自挪威Finnmark台地的两个保存完好的沉积岩钻孔进行了有机地球化学分析，其中包括短链及长链正构烷烃的分子丰度、分子有机碳同位素、全岩碳同位素、植烷/姥鲛烷比值以及植物孢粉丰度。短链及长链正构烷烃可分别做为海洋藻类或细菌及利用C3光合作用的陆生高等植物的生物标志物，其碳同位素值则分别代表大气和海洋的碳同位素记录。
图2 有机地球化学数据
基于高分辨率的自然伽玛测井数据的天文年代学分析，发现所研究钻孔的沉积速率高达22 厘米每千年，远高于绝大多数的海相剖面，为高精度的天文年代学研究提供了材料，也为解决二叠纪末大灭绝的持续时间这一热点问题提供了机会。计算结果显示，二叠纪末大灭绝伴随的碳同位素漂移事件持续了11万年，其启动持续了1.5万年。
图3 天文年代学分析
本次研究的亮点是利用分子碳同位素数据和天文旋回约束的年代模型来进行地球系统模型的反演，计算了晚二叠世至早三叠世大气CO2释放的速率及古气候和古环境的响应。首先，分子碳同位素的优势在于其反映了特定的生物类型，相比较而言，全岩碳同位素则成分复杂，难以确定有机物的来源；其次，天文年代学模型为分子碳同位素的变化提供了高精度的年代控制标尺，使得碳释放的速率计算更加精准可靠；最后，地球系统模型包括了海陆相互作用及大洋环流，对古气候重建和生物地球化学变化的模拟有更高的准确度。通过与古海水温度和pH代用指标数据的对比，研究团队计算出西伯利亚大火成岩省喷发时释放的大量CO2导致了高达 15摄氏度的全球变暖以及1个单位的pH值降低，这些气候-环境变化导致了81%的海洋物种及70%的陆地物种灭绝。模型计算结果显示，火山释放的二氧化碳总量高达36,000 Gt C (1 Gt C = 1015 g C)，最高释放速率达每年5 Gt C ，几乎是现代碳释放量的1/2，而释放出的二氧化碳的碳同位素平均值约为 -15‰。模拟的碳释放呈两幕出现，并对应全球增温、海洋缺氧、海洋酸化。海洋环境恶化的“三重奏”在二叠纪末同时发生，对海洋生物造成了致命的打击。
图4 地球系统模型模拟结果
这项研究认为，一旦环境变化超过临界阈值，可能导致不可逆转的大灭绝事件，这也为当今的气候变化提供了警示。
本研究的通讯作者为崔莹、李明松、Wolfram M. Kürschner，其他合作者还有挪威奥斯陆大学Elsbeth E. van Soelen博士及荷兰乌得勒支大学助理教授Francien Peterse。这一研究受到了挪威研究委员会、美国自然科学基金、国家自然科学基金项目的资助。相关问题交流可通过邮箱cuiy@montclair.edu与本人联系。
参考文献
[1] Cui, Y., Li, M., van Soelen, E.E., Peterse, F. and Kürschner, W.M., 2021. Massive and rapid predominantly volcanic CO2 emission during the end-Permian mass extinction. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(37), e2014701118.
[2] Fan, J.-x. et al., 2020. A high-resolution summary of Cambrian to Early Triassic marine invertebrate biodiversity. Science, 367(6475), 272-277.
[3] Stanley, S.M., 2016. Estimates of the magnitudes of major marine mass extinctions in earth history. Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(42), E6325-E6334.
