出品：科普中國(guó)

(資料圖)

作者：張俊鵬 盛捷（中科院南京地質(zhì)古生物研究所）

說(shuō)到“赤潮”現(xiàn)象，想必大家都不陌生。這種常發(fā)生于湖泊和半封閉的海灣的水華現(xiàn)象，是令人十分頭疼的環(huán)境問(wèn)題。

“赤潮”是現(xiàn)代常見(jiàn)的水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，多由富含磷、鐵等營(yíng)養(yǎng)元素的大量工業(yè)排放廢水引起。赤潮發(fā)生時(shí)，輕則水體表層藻類(lèi)爆發(fā)，水體透光性減弱、溶解氧氣含量降低，水體發(fā)生化學(xué)分層現(xiàn)象，底部出現(xiàn)硫化氫等劇毒成分，表層可見(jiàn)死亡的魚(yú)類(lèi)等水生動(dòng)物，甚至發(fā)展到尸體生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞的程度。

圖1 赤潮

（圖片來(lái)源：浦東環(huán)境）

你敢想象嗎，在4.6億年前，在地球低緯度海域也曾發(fā)生過(guò)一場(chǎng)大型“赤潮”，海洋生態(tài)環(huán)境受到極大的影響，無(wú)數(shù)海洋生物葬身其中……

近來(lái)，中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所科研人員領(lǐng)銜的中、美研究團(tuán)隊(duì)對(duì)4.6億年前保存的海相黑色頁(yè)巖開(kāi)展古生物學(xué)與沉積地球化學(xué)研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的海洋缺氧水體擴(kuò)張，曾造成海洋生物多樣性大幅降低，并為當(dāng)時(shí)的“奧陶紀(jì)生物大輻射”按下“暫停鍵”。相關(guān)研究成果已發(fā)表于地球科學(xué)綜合期刊《地球與行星科學(xué)快報(bào)》上。

至于“奧陶紀(jì)生物大輻射”到底是什么，為什么要從海相黑色頁(yè)巖下手進(jìn)行研究，海洋缺氧水體擴(kuò)張會(huì)引起什么樣的嚴(yán)重后果，感興趣我們就一起往下看吧！

蓬勃發(fā)展的生命——奧陶紀(jì)生物大輻射

在漫長(zhǎng)歲月里，生物進(jìn)化過(guò)程一直以相對(duì)緩慢的速度推進(jìn)著。而在關(guān)鍵地史時(shí)期如生物大輻射期間，海洋這一地球生命的搖籃則在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)孕育出各種各樣的生物。大家更為熟悉的“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”，就是一次規(guī)模宏大的生物輻射事件。

而發(fā)生于4.6億年前的“奧陶紀(jì)生物大輻射”，曾被譽(yù)為地球生物演化史上繼“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”之后規(guī)模最大的生物輻射事件。

該次生物輻射事件，不僅表現(xiàn)為海洋生物多樣性在屬、種級(jí)別上的翻一番，還包括生態(tài)系統(tǒng)逐漸趨于復(fù)雜與穩(wěn)定，如復(fù)雜捕食關(guān)系網(wǎng)的建立、浮游與游泳動(dòng)物的生態(tài)擴(kuò)張、底棲生態(tài)群落的發(fā)展等。當(dāng)時(shí)的海洋孕育著勃勃生機(jī)（圖2），而同時(shí)，陸地上早期植物也完成登陸并開(kāi)始漫長(zhǎng)的擴(kuò)張之旅。

圖2 奧陶紀(jì)海洋生態(tài)系統(tǒng)復(fù)原圖

（圖片來(lái)源：方翔等，2022）

由盛轉(zhuǎn)衰的原因——缺氧海水?dāng)U張

然而，生物的繁盛此等盛景并不能夠長(zhǎng)久地持續(xù)下去，奧陶紀(jì)生物大輻射也是如此。

近年來(lái)，伴隨超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用與“奧陶紀(jì)生物大輻射”研究的深入，高分辨率的生物多樣性曲線顯示，該次生物輻射事件期間，生物多樣性在達(dá)到峰值后約10個(gè)百萬(wàn)年的時(shí)間內(nèi)，持續(xù)出現(xiàn)約50%的下降，這一明顯轉(zhuǎn)折引起地質(zhì)學(xué)家的重視。

據(jù)前人研究，奧陶紀(jì)生物大輻射得益于自早奧陶世開(kāi)始的全球氣候變冷與大氣氧氣含量上升等環(huán)境變化。

然而，在我國(guó)華南湖南、江西、安徽、浙江等地區(qū)中-上奧陶統(tǒng)地層，發(fā)育的大套富含有機(jī)質(zhì)的泥頁(yè)巖（又稱(chēng)“黑色頁(yè)巖”），反映當(dāng)時(shí)的海洋水底很可能是缺氧的。

猜想一下，如果生物大輻射得益于大氣氧氣含量的上升，那么海洋底部大面積缺氧，很有可能是生物大輻射暫停的原因。

科研人員由此展開(kāi)了進(jìn)一步的調(diào)查。通過(guò)分析這些沉積巖的主微量元素、鐵組分與黃鐵礦形態(tài)、氮同位素與鉬同位素等特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)距岸較遠(yuǎn)的水域表層出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，底部缺氧水體逐步擴(kuò)張，甚至達(dá)到厭氧狀態(tài)，即底部水體中出現(xiàn)大量硫化氫等劇毒成分。

奧陶紀(jì)的海洋又沒(méi)有工業(yè)廢水的排放，那為什么會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似“赤潮”的現(xiàn)象呢？

對(duì)于這些現(xiàn)象的背后機(jī)制，科研人員解釋道：“奧陶紀(jì)中葉，氣溫進(jìn)一步的大幅下降，造成高緯度海域深部的冷流增強(qiáng)，以上升洋流的形式攜帶大量營(yíng)養(yǎng)鹽到達(dá)中低緯度的近海盆地，引發(fā)表層水體富營(yíng)養(yǎng)化，與現(xiàn)代湖泊的赤潮現(xiàn)象類(lèi)似”。

基于這一推論，科研人員研究全球其他地區(qū)的同時(shí)代地層后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)這一現(xiàn)象并不局限于華南板塊，我國(guó)的華北板塊、塔里木板塊，美洲的勞倫板塊和歐洲的波羅的板塊均有同時(shí)代的黑色頁(yè)巖沉積。這說(shuō)明，當(dāng)時(shí)的海洋并沒(méi)有之前研究認(rèn)為的那樣氧化，同時(shí)，該研究首次報(bào)道的華南中奧陶統(tǒng)黑色頁(yè)巖的鉬同位素證據(jù)以及模擬結(jié)果也能證實(shí)這一點(diǎn)。

圖3 奧陶紀(jì)中葉氣候-海洋環(huán)境變化與生物地質(zhì)事件綜合圖，從上到下依次為碳同位素證據(jù)、氧同位素證據(jù)及其反映的海水溫度變化趨勢(shì)、海平面變化與缺氧水體分布、鉬同位素證據(jù)以及生物多樣性數(shù)據(jù)（種一級(jí)）等

（圖片來(lái)源：張俊鵬等2022）

海洋的“致命呼吸”——海洋缺氧的巨大影響

至此，我們知道，奧陶紀(jì)大輻射的中后期，海洋缺氧水體曾大幅擴(kuò)張。那么，這一現(xiàn)象對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生過(guò)哪些影響呢？

氣候變冷會(huì)影響表層水體生態(tài)，同時(shí)水體富營(yíng)養(yǎng)化造成大量有機(jī)碳沉降到海底，有機(jī)質(zhì)氧化分解時(shí)消耗水體溶解的氧氣，進(jìn)而引發(fā)大規(guī)模的缺氧海水?dāng)U張。缺乏溶解氧氣的水體，同時(shí)富集硫化氫，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)（尤其底棲生物群落）造成致命傷害。

因此，這一系列的氣候-環(huán)境變化，被認(rèn)為是中-晚奧陶世生物大輻射發(fā)生轉(zhuǎn)折的主要誘因。

類(lèi)似的現(xiàn)象，在地質(zhì)歷史時(shí)期曾多次出現(xiàn)，最著名的是2.5億年前的“二疊紀(jì)末生物大滅絕”，是目前已知的最大規(guī)模的生物滅絕事件，同樣和全球的海洋缺氧現(xiàn)象有關(guān)。

“以古鑒今”的思路——從探究地質(zhì)歷史得到環(huán)保啟示

除了地質(zhì)歷史時(shí)期的生物滅絕事件之外，地球氣候打破“穩(wěn)態(tài)”可能帶來(lái)的災(zāi)難，對(duì)于現(xiàn)在的我們也充滿了啟示。

全球氣候變暖，是當(dāng)下各個(gè)國(guó)家和地區(qū)地球科學(xué)家的共識(shí)。但是，我們關(guān)注氣候變化，并非將其簡(jiǎn)單理解為平均溫度的上升或下降，而應(yīng)像地質(zhì)歷史時(shí)期那樣考慮地球氣候打破“穩(wěn)態(tài)”時(shí)伴隨出現(xiàn)的一系列的極端天氣和環(huán)境災(zāi)害，如2.3億年前晚三疊世持續(xù)達(dá)百萬(wàn)年的“卡尼期洪積事件”等。

同時(shí)，我們國(guó)家近年提出的“雙碳”目標(biāo)，正是積極應(yīng)對(duì)氣候變化這一全球問(wèn)題的重大戰(zhàn)略。中國(guó)科學(xué)院丁仲禮院士在最新的重要著作《碳中和：邏輯體系與技術(shù)需求》中提到，“碳中和應(yīng)從碳排放（碳源）和碳固定（碳匯）這兩個(gè)側(cè)面來(lái)理解”，這兩大過(guò)程中，自然界都占據(jù)重要比重。

地質(zhì)歷史時(shí)期，火山噴發(fā)是碳排放的重要形式，海洋碳酸鹽工廠和有機(jī)碳埋藏是碳固定的重要過(guò)程，而“黑色頁(yè)巖”即為地質(zhì)歷史時(shí)期海洋碳埋藏的重要產(chǎn)物與證據(jù)。

因此，探究地質(zhì)歷史時(shí)期的“碳”，深入研究與之相關(guān)的氣候-環(huán)境變化，可為今天的我們力行“雙碳”戰(zhàn)略提供重要參考與啟示。以古論今，以古鑒今，才能更好地踐行于當(dāng)下、澤被于未來(lái)。

標(biāo)簽：