全球通訊！北大沈佳恒研究員在二疊紀(jì)末生物大滅絕研究中取得重要進(jìn)展

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在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助下，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院沈佳恒研究員在二疊紀(jì)末生物大滅絕研究中取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Early and late phases of the Permian–Triassic mass extinction marked by different atmospheric CO₂regimes”為題，于2022年10月3日在線發(fā)表在國際著名期刊《自然·地球科學(xué)》（Nature Geoscience, IF: 21.531），沈佳恒研究員為該項(xiàng)研究工作的第一和通訊作者，合作單位為中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），德州農(nóng)工以及哈佛大學(xué)。全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41561-022-01034-w

當(dāng)今地球是否已進(jìn)入“第六次物種大滅絕”？人類是否正在經(jīng)歷二氧化碳濃度升高、全球氣候快速變暖和生態(tài)環(huán)境不斷惡化？想要回答這個問題，僅依靠我們?nèi)祟愃^測得到的短尺度數(shù)據(jù)是不夠的。研究“深時”(Deep Time)記錄——二疊紀(jì)末生物大滅絕事件，可以幫助我們尋求其中的答案。

發(fā)生在距今約2.5億年前的二疊紀(jì)末生物大滅絕是地球生命演化史中最大規(guī)模的一次生物集群滅絕，約90%的海洋物種和70%的陸地物種消亡，是罕見的海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)同時面臨崩潰的地質(zhì)突變事件。西伯利亞大規(guī)?；鹕交顒颖徽J(rèn)為是導(dǎo)致此事件的“元兇”，而后引發(fā)的一系列氣候環(huán)境變化（全球變暖、海洋缺氧、酸化、高碳酸血癥等）使得生物面臨滅頂之災(zāi)。然而此一些列氣候、環(huán)境和生物演化機(jī)制還有待于進(jìn)一步精確的厘定。針對此問題，該項(xiàng)研究通過對廣元上寺剖面樣品進(jìn)行測定分析，為此事件提供了直接的氣候變化以及古海洋初級生產(chǎn)力群落結(jié)構(gòu)演化的地質(zhì)記錄，并結(jié)合模型進(jìn)一步詮釋了該時期兩幕生物滅絕的不同機(jī)制。

針對該時期的氣候變化，沈佳恒研究員利用遠(yuǎn)古葉綠素的生物標(biāo)志化合物單體碳同位素定量重建了該時期的大氣二氧化碳濃度（圖1和2）。重建結(jié)果顯示第一幕滅絕，pCO₂最低；隨后pCO₂快速上升，步入緩慢上升期，此高pCO₂一直持續(xù)至早三疊世的第二幕滅絕，并達(dá)到最高值；之后pCO₂開始緩慢下降。此重建結(jié)果詳細(xì)刻畫出了兩幕滅絕時不同的pCO₂特征。生物標(biāo)志化合物單體氮同位素被用于定量重建該時期海洋初級生產(chǎn)力群落結(jié)構(gòu)（細(xì)菌及真核生物）的演化（圖1和2）。重建結(jié)果顯示第一幕滅絕時，海洋初級生產(chǎn)群落以真核藻類（eukaryotes）為主；而第二幕滅絕時，藍(lán)細(xì)菌（cyanobacteria）則以絕對優(yōu)勢~100%全面占據(jù)海洋初級生產(chǎn)群落。

結(jié)合全球碳循環(huán)模型（Long-term Ocean-atmosphere-Sediment CArbon cycle Reservoir Model, LOSCAR）作者重塑了該時期氣候和碳循環(huán)擾動的響應(yīng)機(jī)制。研究認(rèn)為第一幕滅絕時的低pCO₂是由于西伯利亞早期（早于第一幕滅絕~300 kyr）大規(guī)模玄武巖噴發(fā)產(chǎn)生大量新鮮可風(fēng)化物質(zhì)而非強(qiáng)烈排氣作用。此階段脈沖式風(fēng)化能力的增強(qiáng)可有效抑制大氣中二氧化碳的累積，并帶入大量營養(yǎng)鹽和礦物至海洋，增加海洋堿度，緩沖海洋碳酸鹽平衡體系和海水pH值變化；而營養(yǎng)鹽的大量輸入導(dǎo)致海洋富營養(yǎng)化，促使真核藻類繁盛，此條件伴隨著高生產(chǎn)力出口導(dǎo)致海洋出現(xiàn)短暫且嚴(yán)重的缺氧環(huán)境，從而使得生物滅絕。

而后，長時間西伯利亞火山活動的持續(xù)作用耗盡了表層可風(fēng)化物質(zhì)，導(dǎo)致硅酸鹽風(fēng)化反饋失效，失去調(diào)節(jié)大氣二氧化碳的能力。此臨界點(diǎn)（第一幕滅絕）標(biāo)志著大氣二氧化碳開始累積，海洋緩沖能力失效；同時營養(yǎng)通量急劇減少，導(dǎo)致生產(chǎn)力下降，海洋缺氧情況得以緩解。此臨界點(diǎn)后，二氧化碳快速上升，氣候變暖，海洋分層加劇；同時海洋貧營養(yǎng)環(huán)境促使了藍(lán)細(xì)菌以絕對優(yōu)勢全面取代真核藻類。由此，海洋食物鏈底層的生產(chǎn)群落崩潰以及生產(chǎn)力出口通量的削弱最終導(dǎo)致了早三疊持續(xù)高的大氣二氧化碳濃度以及海洋酸化，從而引發(fā)了第二幕滅絕。LOSCAR模型也定量驗(yàn)證了早三疊世的長期高pCO₂不僅是由火山活動引發(fā)的，而是從根本上，由海洋生態(tài)系統(tǒng)特性結(jié)構(gòu)的變化所導(dǎo)致的（圖3）。此外，作者還運(yùn)用LOSCAR模型重構(gòu)了該時期可能的碳排放場景：排放總量約為 5,000 PgC（不考慮早期西伯利亞火山作用），排放時間集中發(fā)生在P-Tr界線時期，持續(xù)約200 kyr。另外，該時期可能的碳源組成：40%來自火山噴發(fā)的地幔來源和60%來自高溫巖漿侵入富有機(jī)質(zhì)層釋放的大量較輕碳源。

基于以上，該研究提出二疊紀(jì)末兩幕式生物大滅絕具有根本不同的滅絕機(jī)制特征。第一幕的特點(diǎn)是富營養(yǎng)化、缺氧而導(dǎo)致喪失棲息地的滅絕，而第二幕是極熱、高碳酸血癥、食物網(wǎng)崩潰的滅絕。此結(jié)果有助于解釋為什么二疊紀(jì)末生物大滅絕是地球歷史滅絕之最。

圖1：研究分析測定的全巖碳、氮同位素及生物標(biāo)志化合物單體碳、氮同位素

圖2：基于生物標(biāo)志化合物單體同位素重建的二疊紀(jì)末生物大滅絕時期大氣二氧化碳濃度及古海洋初級生產(chǎn)力群落結(jié)構(gòu)的演化

圖3：LOSCAR模擬結(jié)果

標(biāo)簽： 生物大滅絕