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地球上现在存在着多种多样的生物,但它们并不是由从原始时期就一直存在的生命线性进化而来的。一般认为,仅仅在显生宙(古生代、中生代、新生代)就有过5次大规模生物群体灭绝。多数种群同时或短时间内发生全球规模(包括海洋陆地的多种环境)性灭绝。这种生物大灭绝的原因是什么?我们需要从地球的角度来解读生物灭绝的谜题,这将会对人类的未来命运有所启示。

  • 生物大灭绝是什么?

大家应该常常会听说熊猫、鲸、朱鹭等稀有动物濒临灭绝的事吧?之所以人们会谈起这些事,不单单是因为看不见稀有动物会心生遗憾,还因为生物灭绝的原因会关系到人类的活动,就是通常所说的环境保护问题引发的社会问题。但仔细思考会发现,地球生物的物种,本来就没有那么长的寿命。在人类出现很久之前,就发生过各种生物的灭绝。不然的话,从古到今地球上就只存在着完全相同的生物,生物也由此无法进化了。

在生物的历史长河中,开始出现有硬骨骼的动物不过是5.5亿年前。与人的一生相比,这个时间显得非常漫长。不过置于地球46亿年的整体历史之中,这也仅仅是5.5亿年而已。硬壳或者硬骨骼容易成为化石,这类生物的出现,开始在之后的地层中留下丰富的化石记录。我们在博物馆看到的代表性化石,比如菊石、三叶虫,都是距今5.5亿年左右的生物遗骸。这5.5亿年间存在生物的事实很明显,因此把它称为“显生宙”,用来区别“显生宙”之前约30亿年没有化石的时期(前寒武时期)。

显生宙又分为古生代、中生代及新生代。古生代是比较古老类型的生物(三叶虫、笔石纲、纺锤虫等)繁荣的时期;新生代是新类型的生物(哺乳动物等)发展的时期;而中生代是中等古老程度的生物(恐龙、菊石等)兴旺的时期。这三个特征明显的时期之间存在两个大的分界线,而这两个大的分界线正是生物大规模更替的恰当时机。

这种生物灭绝与地球上特定地域的特定物种灭绝(比如熊猫和朱鹭等)完全不同,是全球规模的大灭绝。生息在地球上各种环境中的千姿百态的生物,如陆上的大型动物、植物,以及海洋的鱼类和各种浮游生物等,在短时间内迅速灭绝。为了和普通的生物灭绝区别,这种灭绝被称为“生物大灭绝”。我们目前已知在显生宙的5.5亿年之中至少发生过5次生物大灭绝,称为“五大灭绝”(Big Five mass extinctions)。

在这,我将介绍生物大灭绝的代表性事件,即古生代/中生代分界时期的生物大灭绝(约2.5亿年前)以及中生代/新生代分界时期的生物大灭绝(约6000万年前)。这两次灭绝在“五大灭绝”中也是对生命进化历史具有重要意义的事件。在介绍两次大灭绝的过程中,我们也会一起来探寻灭绝的原因。

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  • P-T界线事件

比K-T界线生物大灭绝更严重的灭绝事件发生在古生代/中生代分界。这个古生代/中生代分界同样取英语开头字母,叫作P-T界线(图1)。经过古生代进化出的多种动植物的绝大多数,都在古生代最后的时期二叠纪末期同时灭绝。这些灭绝物种,除了大家熟悉的三叶虫以外,还包括古生代类型的珊瑚、海百合、苔藓虫等海底固着底栖生物,更包含了有孔虫、放射虫等浮游生物。此外,在陆地上也发生了植物、昆虫大灭绝。虽然P-T界线生物大灭绝仅限于当时生存在海洋中的无脊椎动物,但灭绝的物种达90%。它的灭绝规模超过了刚才所述的K-T界线生物大灭绝。当然,在“五大灭绝”中它也是最突出的,被称为史上规模最大的生物大灭绝。

这次生物大灭绝,当然也被推测与全球环境变化有关,不过根本原因尚未明确。一直以来,虽然也有人提出与K-T界线生物大灭绝同样的巨大陨石撞击说,但还没有发现直接证据,例如相应时期的铱元素浓度或巨大的陨石坑环形山等。许多研究者正在探寻地球层面上的原因。比如,全球变冷、海洋水位变低、生息地域减少、海水成分变化、大气中氧气减少、二氧化碳过多、火山活动等。虽然各研究领域都提出了各种看法,但未达成一致的认同。在此,我介绍一下我个人主张的“热柱冬天”(Plume Winter)的概况。

距今2.5亿年前的P-T界线时期,地球历史上也发生了特殊的三次全球性事件。

第一,世界上的主要大陆集中到了一个地方,形成了一个巨型的超级大陆。那时,海洋因为大陆的聚拢而连成一片,成了一个巨大的海洋。那时的世界地图只是一个超级大陆和一个超级海洋,与现在的地球海陆分布有很大不同。P-T界线时存在的最年轻的超级大陆有个固有名称,称为“盘古大陆”(Pangaea,整个大地之意)。在地球的历史中,形成过多次超级大陆,它们都会很快分裂,然后再在其他地方形成下一个超级大陆。这个过程会不断反复。尽管说超级大陆已经形成过好几次,不过在最近的5.5亿年间(显生宙),超级大陆只形成过一次,就是我们这里说的“盘古大陆”。“盘古大陆”也很快开始分裂,在2.5亿年前,基本分裂为现在大陆的雏形。

第二,海洋中发生了缺氧的事件。现在的海洋由深层海水与表层海水的对流循环混合而成。所以,即使在没有阳光照射,植物无法进行光合作用的深海,也能通过这种循环来保证海水中有充足的氧气。但是,调查P-T界线前后时期世界范围内的海洋沉积地层,可以发现海水中缺氧的证据。尤其是在日本,暴露在外的过去的岩石中含有P-T界线时期在超级海洋中央的深海所沉积的燧石地层。对这岩石进行化学分析,得出了在包括P-T界线时期的约2000万年中,海洋中的氧气不足。燧石地层是地球大洋地壳的代表地层,因此可以推测这次海洋缺氧为全球规模。在显生宙时期内,海洋从未如此长时间的缺氧,所以也把这次事件取名为“超级海洋缺氧事件”。这也是在显生宙期间,仅此P-T界线时唯一被承认的特异的全球事例。

第三,地球上发生了史上最大规模的生物大灭绝。这三件事情恰好都在P-T界线时期发生,是一种偶然吗?不,这三者中的任意一个都是最近5亿年中绝无仅有的特殊事件。所以,这三者不太可能仅仅是因为偶然而同时发生的。我们应该思考这三次事件背后的深层关联。P-T界线生物大灭绝的原因如先前所述还是一个谜,解开这个谜题的关键,可以说就是要竭尽寻找这三次异常事件之间的因果关系。

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  • 全球冻结事件

最近,研究发现了地球上曾经出现过一次类型完全不同的生物圈危机,这次危机发生在前寒武纪末期,称为全球冻结事件。当时地球全部被冰覆盖,是所谓的超级冰河期。值得注意的是,在这件事发生后不久,就出现了生物物种的大爆发。这次全球冻结事件成为了促进生物进化的一个契机,目前也引起了世界各国研究学者们的关注。

在世界范围内的前寒武纪末期(约7.5~6亿年前)海洋沉积地层中,研究人员发现了许多显示当时大规模冰川存在的证据。元古代末期似乎也有过冰川期。不过,当时的冰川规模远胜于我们人类祖先数万年前经历的那次冰川期,能够想象当时的地表环境对于生物来说是非常严峻的考验。

冰川期的特征为冰川的分布异常广阔。北极、南极地区光照少,存在大量冰架和冰川不足为奇。不过,世界各地岩石的古地磁测定结果显示,当时的赤道地区也存在很多元古代末期的冰川性地层。北极和南极是严寒地区自不必说,而赤道地区也出现了冰川,也就意味着当时的地球全部陷入了被冰覆盖的“全球冻结”状态。 所有的海洋表面都被冻结,地球变成了闪耀的白色星球。因为冰层对阳光的反射,地表温度将更低。根据大气和海水运动的物理学理论模式计算,当时的地表平均气温降到了零下40摄氏度左右。估计覆盖全球海洋的冰层厚度平均达到1.5千米。

这种异常冰河期出现的原因现在还不清楚。不过有一点可以明确,就是影响地球表层温度的重要因素是大气中的二氧化碳含量。与近来人们谈及的温室效应相反,当大气中的二氧化碳减少时,地表温度将会下降。可以推测,在前寒武纪末期的7.5亿年前,由于某种未知原因,大气中的二氧化碳含量急剧减少。

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根据模型计算,可以得知地球的平均气温在大约1000年中扶摇直上,直接上升到 50摄氏度。地球从冰川期的冰封状态一下子变成了桑拿浴的状态。平均温度在短时间内上升了近100摄氏度,这种剧烈的升温已经不能简单用地球温暖化来描述。对于在全球冻结时期勉强幸存下来的生物,还没来得及喘口气,就要应对突如其来的新环境挑战。因为当时还没有硬壳的生物,所以相关的化石非常有限。虽然不能根据化石来统计具体的数据,但在这次全球冻结事件之中或之后,无疑发生了大规模的生物灭绝事件。

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最后的伊甸园

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与地球诞生时相比,现如今巨大陨石冲撞地球的概率已变得非常低。不过,数亿年间,活跃的地幔热柱的间隙活动不曾停息。生物只要生存在地球上,今后就难以避免相同的经历。现代生物的未来正孕育着下一次的“冰川期”“冲撞之冬”和“热柱冬天”等灾难。地球绝不是一个格外优待人类的温柔行星,这一点我们自己必须有所觉悟。

  • 无限制增殖的边界与人类的未来

现在,世界人口达到65亿(2007年),而另一方面,依据全球范围内旧石器时代的遗迹分布,可推定当时的世界人口约500万左右(图3)。也就是说,人类的数量从历史的某个时间点开始增加到1000倍以上。目前人类已经处于地球食物链金字塔的顶端,这也使得人类成为了这个有限星球上可以无限制增殖(正常情况下生物并不会出现无限制增殖的情况)的特殊动物。人类在自然状态下的正常、恰当的数量即是500万人左右,从这个数字与如今全球人口数量的差距,也能看出人类异常增殖的规模。人类异常繁衍的原因,可以归结为人类对其他生物的“三大犯规”(农业、科学技术、医学)。人类的历史本来就几乎是饥饿的历史,现在在非洲的部分地区,饥饿也还在威胁着人类。从这个意义来讲,被饥饿威胁的状态更接近于人类生存的自然状态。人工种植有用的食用植物、营建适宜居住的环境、医治种种伤病,这些“出格行为”使得人类数量增加到了1000倍。但是到20世纪后半段,人类无限制增殖的边界已经清晰可见。之前的研究就曾预测在21世纪前半段,世界粮食生产和人口增加将失衡。例如日本,现在食物几乎全靠进口,已经失去了自给能力。但我们自己并没有意识到这件事情,我可以从便利店里方便地购买到食物,并想当然地认为能24小时供给食物的便利店既然100年前就存在,那么100年后也一定还存在。难道我们没有这些错觉吗?

21世纪的问题堆积如山。不过我们既然理解了地球和生命的历史之后,就有必要感恩当下这刹那间的富饶与安定。

本文选自《东京大学通识讲座:贯通篇》,来看看东京大学的通识课都讲些什么吧。