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生物大滅絕:生態系統需要1000萬年才能恢復

媒體:科學大院  作者:中科院南古所
專業號:吳勁松 2020/4/2 12:53:23

提問:在顯生宙最大的生物滅絕事件之后,湖泊和森林生態系統需要多久才能明顯恢復?

回答:1000萬年!

提問:科研團隊通過多久得到答案?

回答:10年!

 

近日,中國科學院南京地質古生物研究所科研團隊最新的研究發現,在顯生宙最大的生物滅絕事件——二疊紀末生物大滅絕事件之后,湖泊和森林生態系統可能都需要長達1000萬年的時間,才能得到明顯恢復,相關研究論文發表在《地質學》(Geology)上(戳“閱讀原文”看論文~)。

 

論文截圖(圖片來源:作者提供)

 

二疊紀末生物大滅絕 原因是啥?

 

國產科幻大片《流浪地球》,這部電影講述了未來太陽急速衰老膨脹,地球上到處都是冰封。

電影《流浪地球》劇照

其實,在我們人類出現之前,類似的極端氣候事件(如極冷或極熱的氣候事件)在地球歷史上曾經出現過多次,最著名的便是五次生物大滅絕事件(包括:6600萬年前恐龍的滅絕)。

 

顯生宙以來,地球上發生過的這五次生物大滅絕事件中,發生在2.52億年前的二疊紀末生物大滅絕事件,被譽為是顯生宙最大的生物滅絕事件。

 

顯生宙五次大滅絕,改自Sepkoski, 1996

 

那時,地球上是極度炎熱。學界普遍認為這次大滅絕事件是由西伯利亞大火成巖省的爆發,造成連鎖反應導致的。

 

隨著大量的二氧化碳被注入到空氣中,導致全球變暖和酸雨的產生,酸雨殺死了陸地上的植物,使得陸地上發生了大規模的侵蝕作用。這次大滅絕造成約80%的海洋生物,和約75%的陸地生物在數萬年內迅速滅亡。此后,地球上演化發展出了一直持續至今的現代生物群。

 

Tips:

西伯利亞大火成巖省是西伯利亞的哪個???

說到省,我們會想到行政區劃單位,當然這里不!是!的!

早在 20 世紀 90 年代,研究人員在西伯利亞的凍土層下面發現了綿延數千千米的火山巖,這一套巖石被稱為“西伯利亞大火成巖省”。

其位于西伯利亞克拉通的西北緣,玄武巖、凝灰巖、以及同時代的侵入體所覆蓋面積約 2.5 × 106平方千米,約占整個西伯利亞克拉通面積的 60%,熔巖體積約 4 × 106立方千米。

 

在大滅絕后,全球氣候逐漸回歸正常,地球上的生態系統也逐漸復蘇到繁盛的狀態。那么生態系統復蘇用了多久呢?

 

目前關于二疊紀末生物大滅絕后生態系統復蘇的研究,主要集中于海相地層(當時海洋中沉積的地層),綜合所有門類,海洋生態系統在二疊紀末生物大滅絕之后的800萬年至1000萬年,才取得了明顯的恢復,并且在三疊紀晚期仍在繼續進行恢復。

 

由于三疊紀早期全球性的高溫和高蒸發率,陸相沉積物主要以河流相的砂礫巖為主。造成了當時淡水化石記錄和泥頁巖記錄十分缺少,因此關于湖泊生態系統的恢復時間和模式的研究較少。

 

直到近日,由中國科學院南京地質古生物研究所“現代陸地生態系統起源與早期演化研究團隊”的研究生趙向東和鄭大燃博士在王博研究員和張海春研究員的指導下,與長慶油田解古巍工程師等合作,基于科研團隊十年來的野外積累和室內分析工作,提出二疊紀末大滅絕之后湖泊以及森林生態系統最多用時1000萬年就完成了恢復。

 

團隊所研究的對象是鄂爾多斯盆地南緣三條富含油頁巖和凝灰巖的剖面(霸王莊、馬莊和衣食村),位于陜西銅川,這十年以來,該科研團隊每年都會在此進行野外工作,挖掘化石,本次研究也是根據十年以來科研人員的野外積累所得出的結論。

 

銅川地區野外照片(圖片來源:作者提供)

 

鋯石鈾-鉛(U-Pb)定年鎖定1000萬年

 

此次科研人員通過高精度的地層學、沉積學和古生物學研究,對剖面中采集的火山源的樣品(凝灰巖、火山灰、凝灰質砂巖)進行了鋯石鈾-鉛(U-Pb)定年。最終,科研人員將湖相油頁巖底部年齡卡定在2.42億年左右,歸于中三疊統銅川組。

 

研究區域代表巖性和定年層位照片(圖片來源:作者提供)

 

這樣的一個結論也確定了這套油頁巖是二疊紀末生物大滅絕之后已知最早的深湖相沉積,比之前的記錄向前推進了500萬年。

 

復雜食物網出現

 

科研人員還發現,在三疊紀中期,海洋生態系統中存在健全的、正金字塔形(從低營養級到高營養級逐步恢復)的生物營養級。

 

正金字塔形生物營養級(開源圖片)

 

研究團隊在銅川組油頁巖中發現了較豐富的植物、介形蟲、葉肢介、鱟蟲、昆蟲、魚和魚糞等化石。其中,最大的螺旋狀魚糞化石長達77毫米,表明當時湖泊中已存在體型較大的捕食性魚類??蒲腥藛T通過對部分魚糞化石進行切片(你沒看錯,就是對便便化石進行切片),就在這個“便便化石”中,科研人員發現了雙翅目昆蟲的大顎。大顎的發現,是鄂爾多斯古湖泊中,魚類取食昆蟲幼蟲的直接證據。

 

剖面產出的各類代表性化石。A-C, 魚糞;D-E,魚糞切片;F和G,甲蟲;H,魚;I,介形蟲;J,鱟蟲。(圖片來源:作者提供)

 

這些化石研究表明,當時的湖泊中已經出現了復雜的食物網,其中,初級生產者為各種藻類;初級消費者主要是以藻類為食的介形蟲和昆蟲等動物;二級消費者包括各類水生肉食性昆蟲以及魚類等;頂級消費者則為大型的捕食性魚類。

 

這種生態類型與古生代湖泊中雙翅目幼蟲普遍缺失和水生甲蟲稀少的情況明顯不同,代表了一個典型的中生代湖泊生態系統。

 

怎樣推測出森林生態系統的恢復時長?

 

在三疊紀最初的1000萬年內,由于世界各地的陸相地層中普遍缺失煤層,因此這段時期也被稱為“煤層缺失期”(Coal Gap)。通常認為,中三疊世煤層的再次出現代表了大滅絕后森林生態系統的明顯恢復。

 

依據油頁巖的出現時間建立了與海相生態系統復蘇相對應的“油頁巖缺失帶”,與陸地上“煤層缺失帶”的時間相吻合(圖片來源:作者提供)

 

在鄂爾多斯盆地,已知最古老的三疊系煤層產出自二馬營組的最上部,其年齡略老于銅川組油頁巖的年齡。

 

這樣的研究結果表明,復雜湖泊生態系統的復蘇與“煤層缺失期”的結束時間相吻合,表明湖泊和森林生態系統可能通過生物、物理和化學等作用緊密聯系在一起。

 

因此,科研人員推測,湖泊和森林生態系統可能都需要長達1000萬年的時間才能明顯恢復。

 

湖泊和森林生態系統的復蘇原因是什么呢?

 

研究者推測,早三疊世炎熱的氣候會限制湖泊中的溶解氧含量,從而阻礙了生態系統的復蘇。然而,在安尼期海洋中,碳埋藏的大量增加則可能會導致大氣CO2含量下降和全球降溫,從而改善了湖泊的生態條件。

 

此外,火山灰給湖泊帶入豐富的營養物質,可能顯著提高了鄂爾多斯盆地古湖泊的初級生產力。因此,全球溫度降低和火山灰養分輸入可能共同促進了鄂爾多斯盆地古湖泊生態系統的繁盛。

 

結語

 

最后,我們再次總結一下,本次科研成果的科學意義:

 

  1. 這套位于鄂爾多斯盆地銅川組油頁巖,是三疊紀最早的湖相油頁巖沉積,距今2.42 億年,比之前的記錄早了500萬年。

     

  2. 此次發現的多門類生物化石展現出了三疊紀最早的復雜湖泊生態系統,且該生態系統是典型的中生代生態類型。

     

  3. 同位素年代學和地層學的研究結果,為精時地層對比和油氣資源勘探提供了新的定年和化石證據。

     

  4. 由于湖泊、森林生態系統的復蘇可能具有耦合聯系,因而,湖泊生態系統的恢復最多用時1000萬年。

     

  5. 科研人員推測,全球溫度降低和火山灰養分輸入,可能共同促進了鄂爾多斯盆地古湖泊生態系統的繁盛。

 

相關成果于2020年3月31日在線發表于國際知名期刊《地質學》(Geology),相關研究工作由中國科學院和國家自然科學基金委共同資助。

 

本文由中國科學院戰略性先導科技專項(B類)“關鍵地史時期生物與環境演變過程及其機制”項目支持。

 

論文信息:

Zhao Xiangdong, Zheng Daran, Xie Guwei, Jenkyns H.C., Guan Chengguo, Fang Yanan, He Jing, Yuan Xiaoqi, Xue Naihua, Wang He, Li Sha, Jarzembowski E.A., Zhang Haichun, Wang Bo* (2020) Recovery of lacustrine ecosystems after the end-Permian mass extinction. Geology, doi:10.1130/G47502.1.

 

文/編: 盛捷 王博 趙向東 (中國科學院南京地質古生物研究所 )

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