中美合作探索地球生物演化之谜（科技大观）

高山峡谷、草原森林、江河湖海、沙漠戈壁……在地球这颗蓝色星球上，分布着丰富多彩的地质地貌和生物。然而，研究发现，自地球现代生态系统形成以来，至少发生过5次生物大灭绝。其中，2.52亿年前发生的二叠纪末生物大灭绝是最大的一次，有超过八成的海洋和陆地物种消失，地球生态系统一度回到地球早期的原始状态。
导致二叠纪末生物大灭绝的主要原因是什么？为了解开这一谜题，中美科研人员展开了长期合作研究。1994年，美国麻省理工学院、美国自然历史博物馆的科研人员来到浙江长兴煤山、广西来宾蓬莱滩等剖面，与中国学者进行联合野外考察，开启双方在该领域的合作。今年2月，中美两国科研人员在国际学术刊物《科学进展》上发表最新研究成果，测定了二叠纪末低纬度地区发生陆地生物大灭绝的精确时间，揭示了不同生态系统对环境恶化有不同的响应速度。
从地质演变史看，二叠纪时形成了一个统一的联合古陆（泛大陆），当时全球海平面大幅下降，在泛大陆及其周边很少有保存完整的海相二叠系—三叠系界线剖面。而中国华南地区位于古特提斯洋的东侧，含有保存完整的海相连续剖面，这为研究二叠纪末生物大灭绝提供了独一无二的天然条件。30年来，中美科学家联合攻关，取得了一系列重要科研成果。
第一，测定二叠纪末低纬度地区发生陆地生物大灭绝的精确时间。此前科学界普遍认为，此次生物大灭绝发生在约2.5亿年前，但对于不同地区、不同生态系统的大灭绝进程，还缺乏更为细致的研究。中美研究人员通过10余年的野外采样和高精度同位素测年，首次精确测定了二叠纪末低纬度地区陆地生物大灭绝的具体时间约为2.52亿年前。最新结果表明，在二叠纪末，赤道等低纬度地区的陆地生物大灭绝至少比海洋生物大灭绝开始时间晚约6万年，比高纬度地区的陆地生物大灭绝开始晚约43万年，从而表明高纬度地区对地球环境灾变事件的响应可能更早。
第二，建立此次生物大灭绝的定量化模式。由于化石记录不完整，如何建立生物大灭绝的精确模式也是一个难题。中美科研人员利用约束最优化法和置信区间等统计分析方法，建立华南和西藏等地区的突发式生物大灭绝模式，这个定量化模式表明2.52亿年前大量海洋生物在很短的时间内快速消亡。
研究人员还根据全球古生物大数据库，对大灭绝前后不同纬度带的生物多样性变化进行了统计分析。结果显示，低纬度地区不仅生物灭绝发生得较晚，灭绝率也相对较低，这可能说明当时低纬度地区的陆地生态系统具有更高的环境抗压能力。研究认为，在二叠纪末，陆地生物大灭绝最早开始于高纬度地区，逐渐推进到中、低纬度地区。而海洋生态系统的崩溃则有独特的统一模式，总体来说发生得更为迅速。
第三，确定此次生物大灭绝的主要原因。学界此前认为此次生物大灭绝是一个长期过程，可能经历了上千万年，与当时的大规模海平面下降有关。2004年，中美科研人员在南京召开专题研讨会，探讨如何解开这次生物灭绝事件的原因。科研人员还在煤山剖面打了两个科学钻。通过一系列地球化学环境指标的研究和分析，科研人员发现这次生物大灭绝经历的时间非常短暂，伴随有碳、氧同位素的急剧变化。这说明，与大规模岩浆和火山活动相关的大量温室气体排放和快速升温，导致当时海水缺氧、酸化、陆地干旱化和植被系统崩溃等，这是2.52亿年前生物大灭绝的主要原因。
数十亿年的地球历史为我们提供了一个天然的实验室。二叠纪末生物大灭绝的研究进展再次发出警醒，地球表面大规模碳排放和快速升温可能对地球生态系统和生物多样性造成严重威胁，对人类生存和发展构成重大风险。
地球科学的研究急需新范式、跨圈层交叉研究，需要古—今、海—陆、冷—热和长—短等不同维度的对比研究。中美科研人员发挥各自优长，在探索地球生命演化与碳循环方面正开启新的合作进程。
（作者为中国科学院院士、南京大学地球科学与工程学院教授沈树忠）
《人民日报》（2024年06月05日16版）