地球史上最大的一次生物大灭绝，种级灭绝率可能达到了95%
来源 | 一席（ID：yixiclub）
作者 | 宋海军
如果是这种情况，我们会不会有第六次生物大灭绝呢？
生物大灭绝 大家好，我叫宋海军，来自中国地质大学（武汉）。 在谈大灭绝之前我想先问一个问题，大家知不知道现在地球上有多少种生物？几万、几十万，还是几百万？几百万。大家猜得非常准，实际上是150万。 这个数字听起来非常多，但其实只占地球曾经拥有的物种很少一部分，只占1%。也就是说我们地球上曾经居住着一亿五千万种生物，它们99%都灭绝了。 我们一般把灭绝分两种，一种叫背景灭绝。就是达尔文在《进化论》中说的适者生存，不适者被淘汰。比如在我们人类演化的过程中，有很多物种就是这样被淘汰的。 从五百多万年前的古人类演化到现今的人类，经历了很多中间物种，它们很多都已经灭绝了，比如地猿、南方古猿、能人、直立人、尼安德特人等等。而延续到现在的，地球上目前只有两个，一个是黑猩猩，一个就是现在的人类，这些中间物种的灭绝我们就称为背景灭绝。 另外一种叫大灭绝。我们从字面意义上就可以理解，就是很多生物在很短的时间内同时灭绝。 这张图展示的就是地球五亿多年以来生物多样性的变化。大家可以看到，生物多样性的曲线有高有低，低的时候就代表生物多样性剧减的情况，也就代表着生物大灭绝。 Sepkoski, 1984 到目前为止，地球历史上有五次非常大的灭绝事件，它们分别发生在4.3亿年前的奥陶纪末，3.7亿年前的晚泥盆世，2.5亿年前的二叠纪末，2亿年前的三叠纪末，以及6500万年前的白垩纪末，恐龙的灭绝就是在最后一次。 我今天主要想跟大家讲的就是最大的一次，发生在2.5亿年前的这一次。古生物学家根据化石记录进行了一个初步估计，认为这几次大灭绝的灭绝率基本上都在80%左右。其中最小的一次就是最后恐龙灭绝这一次，可能它的种级灭绝率只有76%。最大的就是2.5亿年前的这一次，种级灭绝率可能达到了95%，也就是100个种里95个都灭绝了，只剩下了5个。 估算的灭绝率 到底是不是这样呢？2.5亿年前这一次大灭绝，到底有多少物种灭绝了呢？这是大家非常关心的一个问题，也是我主要研究的一个问题。 如何研究大灭绝呢？我们一般是选择海洋里面的生物进行研究，就是海洋中的化石。海洋中的这些生物死了之后很容易就沉到了海底，被海底的泥沙掩埋，这样越埋越深，越深之后它的压力和温度就会很高，所以这些沉积物就被转化成岩石。这些生物就跟着岩石一起转化为了化石。 当地层在碰撞的时候可能就会造山，两个地层这样一碰撞相互挤压，地下的岩石就被抬到了山上，化石就跟着岩石一起被抬到了山上，这也是我们找化石为什么一般去山上的一个原因。 这是贵州贵阳附近的一个小山包。大家可以看到这里的地层还是水平的，说明当时这个地方是一个海洋，当然在2.5亿年前我们现在所在的上海也是海洋。 当时在这个地方就沉积了很多这样的沉积物，靠近下边的这些沉积物一般形成得比较早，我们按照时间顺序把这套地层进行编号。这段地层大概有两米多厚，大家可以猜一猜，代表多少时间呢？20万年。 我们一般在野外发现的化石都是大化石，也就是我们肉眼可以看到的，一般是几厘米或者几十厘米，甚至几米大的化石。 这个是鱼的化石。 这个是菊石，是已经灭绝的一种生物。 这个是腕足动物的化石。 这些都是大化石，肉眼可以看到。实际在这些岩石里面还有很多非常微小的化石，我们称之为微体化石，它们的个体通常小于一毫米，所以在野外我们很难看到它，因为肉眼看不到。怎么办呢？我们一般是把石头先采回来，通常每一层采个几公斤，然后对它进行处理。 一种就是通过化石溶解，把这些石头用一些酸溶解掉，然后里面的化石就会露出来，我们再在显微镜下把化石挑出来。比如说我们现在看到的这个化石，它的大小可能只有几百微米，也就是零点几个毫米，只有通过这种方法把它处理出来。 牙形石 还有另外一种化石，它的成分跟岩石一样，所以我们没法通过化学溶解把它取出来。这时候一般把这个石头磨成薄薄的一个片子，然后把它放在显微镜下，通过内部结构来对它进行生物学鉴定。 有孔虫化石 就这样我们把获得的这些大化石，和在实验室获得的这些微化石，一起进行古生物学研究。 比如说ABCDE五个种，A实际上是在一层、二层、三层和四层出现，所以我们就把它放在这样一个投点上。然后再把这四个点连成一条线，就代表了这个种在当时生活的年限，也就是从第一层生活到第四层，生活了这么久。 就这样我们把所有种的年限都画出来，就得出了这样一个图。 从这个图上就可以看到，种A到种D在第四层就灭绝了，因为它们以后再也没有出现了，而种E它在五层、六层、七层还有出现，所以它没有灭绝。 针对2.5亿年前的这次灭绝，我们就在中国很多地方找了很多化石，总共有500多个种，把它们的年限投到这样一个图上。大家可以看到这张图上有五百多根线，这么多线，大部分都在中间这一段地层里面消失了，没有延续上去，说明这些物种都灭绝了。这段地层是三万年左右，也就是说在这三万年绝大多数物种都灭绝了。 而且灭绝经历了两个阶段。大家应该也能看得出来，第一幕这儿有一个阶段很多物种一起消失了，第二幕这儿还有一个阶段也都一起消失了。也就是经过这两个阶段，总共有91%的海洋物种灭绝了。这跟之前科学家估计的95%的灭绝率是非常接近的。 对于不同的类别来说，灭绝的情况是不一样的，有些类别受影响比较大，有些类别受影响比较小。我们看一看受影响比较大的，其中有一类叫三叶虫，可能在座的有人认识它。是一种比较常见的化石，特别是在五亿年前的海洋中它是占主导，海洋中基本上全是它。这一类生物就在这一次灭绝中彻底消失了，以后再也没有了。 另外一种是四射珊瑚，也就是当时主要的造礁生物，它也是在这一次灭绝事件中完全消失了。我们现在海洋里面的珊瑚已经不是四射珊瑚了，是以六射珊瑚为主。 这是灭绝得比较严重的。我们再来看一看哪些生物幸存了呢？左边这张图展示的是在灭绝前海洋里面的生物主要由哪些组成。我们可以看出，在灭绝前，固着型的，像珊瑚一样是固着在海洋底下的，这类生物占主导，它占了68%。 左：灭绝前 右：灭绝后 但是灭绝后这样一个结构金字塔发生了倒转，这种游泳类的动物开始占据主导。为什么呢？我们在回答这个问题之前，首先看一下都有哪些游泳类的生物在这里出现。 这个就是灭绝之后发现的一类鱼化石。大家可以看到它的复原图，跟现在的鱼长得还是比较像的。 另外一个是牙形类，这是它的微体化石，它的复原图可以看出也是像鱼形状的一类生物，实际上它不是鱼，是一个比较低等的脊椎动物。 从这两种生物的体形上，我们都能看得出来它们是善于游泳的。 我们再来看这种菊石，现在海洋中已经没有了，因为它跟恐龙一起彻底灭绝了，但是在这一次灭绝之后还是比较常见的。这些就是我们在野外挖掘的一些化石，从它的复原图上我们也可以看出它是一个比较凶的捕食者，也是比较善于游泳的。 当然我们都没见过它，但是我们一定有同志见过它的近亲，就是这一类生物，叫鹦鹉螺。这个就是在现代海洋里面拍的一个短视频，这一类生物也是善于游泳的。 为什么善于游泳的生物能在灭绝事件中这么幸运？我们现在初步是这样认为的，因为当时的海洋条件是非常差的，到处都不适合生物生存。游泳的生物可以在比较短的时间内逃离这些不好的环境，找到相对舒服一点的环境待着，所以它们可以幸存。所以如果我们想要在大灭绝中活命，我们也要先学会游泳，有机会逃离这些灾难。 我们再来看看这一类，叫双壳，也就是在海边经常捡到的这些贝壳类。 这类生物它是底栖的，大家可能对它比较熟悉，有一道比较有名的菜叫蒜蓉粉丝扇贝。这一类生物它平时是趴在海洋底下的，也就是说一般情况下它应该不会游泳。这类化石在这段地层中是比较常见的，走到野外就很容易找到。它们是怎么幸存下来的呢？实际上这类生物它也会游泳，它通过扇动两瓣壳来游泳。 所以说游泳很重要，连这种平时都不怎么游的都学会游泳了。没办法，如果不游它也活不到现在。 我们再来看另外一种比较特殊的，叫腕足动物。跟刚才看到的贝类非常像，但是完全不是一种，这一类是彻底不会游泳的。现在海洋中还有少量的。它们是固着的，它们有一个肉茎，通过肉茎把自己的身体固着在海底，也就是说它这一辈子只生活在一个地方，不会移动的。 实际上这类生物在灭绝后非常少见，我们在全国很多地方去找它的化石，包括西藏，也只找到很少的几个种少量的标本。但是它又是如何幸存的呢？看一下我们做的一个系统的研究。 我们发现灭绝前这类生物长得比较大，大的可以达到十几厘米，而灭绝后它们变得非常小，只有一厘米左右，也就是说它让自己变小以幸存下来。 左：灭绝前 右：灭绝后。Chen & Song et al., 2019, Palaeo3 变小可以幸存吗？可以的。为什么？大家都知道，个子小或长得比较苗条，一般吃得就比较少，它对食物的需求就少，更为重要的是它对氧气的需求也变得非常低，所以能在这种极端的环境下幸存下来。所以我们总结一下怎样才能在灭绝中幸存，就是少吃多游泳。 我们再来看一下大家比较关心的一个问题，什么原因导致生物大灭绝的呢？ 一种比较流行的观点是地外的小行星或者慧星撞击地球。这种撞击肯定会对地球带来很大的影响。比如说它会带来磁极倒转，在陆地上可能会带来大火，在海洋中可能引发巨型的海啸，这些肯定会对地球的生物带来很大的影响。 目前也有科学家发现了当时撞击的一些证据，其中一个就是这个陨石坑。科学家在澳大利亚西北部发现了这个陨石坑，它的时间是2.5亿年前左右，也就是跟灭绝发生的时间差不多。 Becker et al., 2004, Science 然后还找到了其中的一种矿物，叫撞击石英。 Becker et al., 2004, Science 这种矿物是在高压高温下形成的矿物，一般仅发生在撞击的时候，所以它的出现往往代表着这儿有撞击事件。这些证据表明这里确实有个撞击坑，但是这个撞击跟灭绝有没有关系呢？我们目前认为没有太大的关系，可能仅仅是一个小型的撞击坑，它的质量和速度可能都不够大，引发不了灭绝。 为什么这么说呢？因为恐龙灭绝的时候就是有一个很大的撞击，这个外星在撞击地球的时候形成了很多尘埃。就是外星把自己撞碎，撞碎的这些尘埃会飘在地表的大气中，所以整个地表的大气都会有这样外星物质。这些外星物质最后还是要沉积到地球表面，所以在全球各个角落都能发现这些物质，特别是其中的一个元素，铱元素。但是在2.5亿年前的很多地层中就没有发现类似的元素，以及其他的外星物质。 另外一个证据就是我刚才提到的，我们发现生物在这个时候它是在两个阶段灭绝的，这在一定程度上也否认了地外原因。因为外星撞击一般是巨大的，一般会带来短时间的快速的一次灭绝。 如果不是外星，那是什么原因呢？目前还有一种比较主流的观点，认为是火山。因为当时确实发生了一个超大规模的火山爆发，很有可能是地球形成以来最大规模的一个陆地火山爆发。它位于俄罗斯北部的西伯利亚。 它有多大呢？它喷出来的岩浆形成的这些岩石，占地有150万平方公里，厚度有1000米。可能大家没概念，如果把这些岩浆铺到我们中国，能把整个中国铺满，而且厚度是150米。 这肯定是一个巨大的火山，这么大的火山肯定对当时的，特别是火山周边的生物带来了极端的影响。更为重要的是，伴随着火山爆发会喷出很多温室气体，比如二氧化碳、甲烷。这些温室气体会影响地表气候，使气候变得非常不适合生物生存，会对生物带来致命的影响。 我们已经找到了有关的证据。这个是我的同事孙亚东通过牙形石做的研究，就是刚才我们提到的那一类微化石，它是这类生物的牙齿部位。大家都知道牙齿是我们骨骼中最致密的一部分，所以即使它形成了化石，它也能保存很多当时的信息。 我们把里面的化学信息提取出来，恢复了当时的古温度变化，发现平均温度在灭绝的时候升高了十多度，也就是从灭绝前的二十多度升高到了灭绝后的三十多度，而且这个升温跟灭绝是完全同步的，所以很有可能是温度升高引发的这样一个灭绝。 Sun etal., 2012, Science 而且我也通过对牙形石里面的微量元素的研究，恢复了当时海洋里面海水氧含量的变化，发现在灭绝的时候海水的氧气大量减少，出现缺氧现象。这个事跟这次灭绝也是同步的，所以表明缺氧跟大灭绝也有关。也就是说火山带来的气候变化对当时的生物是一个致命的打击。 Song et al., 2012, EPSL 除了我们刚才提到的这些温室气体，还有一些其他气体，比如硫化氢、二氧化硫这些会给陆地带来酸雨，此外还有氟化氢，这种剧毒气体，如果喷多了，可以直接导致它们的死亡。 我们当前也面临着一个类似的情况。大家可能都知道，当前地表正在升温，碳排放正在加剧，所以就有科学家提出，现在会不会再有一次生物灭绝事件，也就是说会不会有第六次生物大灭绝。 这张图展示的是过去一百多年年平均温度的变化。 Gemiddelde temperatuur 1880–2017 我们可以看出，从1920年到现在，整整一百年，地表的温度已经升高了一度。这一度的升高对地球带来了影响没有？不知道大家感觉到了没有。没有吗？也可能有同志感觉到了，夏天空调会用得多一些。 实际上这一度的升温已经对地球带来了很大的影响，大家看看这张图，这张图展示的是来自太平洋一个地方的海水的氧含量，这个蓝色的就代表氧含量很低，就是因为这一度的升温，海水低氧带在过去几十年正在扩张。 大家可能不知道，海洋里面的生物90%以上是生活在浅水，也就是200米以上的水域，所以低氧带一旦扩张到200米附近，对海洋里面的生物就是一个巨大的打击。即便是现在这种微弱的扩张，已经对海洋里面的生物带来了很严重的影响。 我们来看一下，这是海洋里面的珊瑚，非常好看，五颜六色的。 但是现在有些海域，比如说大堡礁，以及巴哈马一些区域，里面的珊瑚已经成这个样子了，是白色的，我们称之为珊瑚白化，白化就意味着它已经死亡了。 大家还记不记得我刚才讲到2.5亿年前的最大灭绝的时候，首当其冲的就是其中的一种珊瑚。所以我们现在的海洋中正在发生的事跟2.5亿年前非常类似。 我们再来看一下过去半年，也就是2018年下半年到现在的海洋里面的珊瑚礁的变化。在这个图里面，黄颜色代表生物礁已经受到了影响，红颜色代表它已经严重受到了影响，我们可以看出很多水域里面的珊瑚礁已经受到了影响。 这是升高一度带来的变化。我们再来看一看更长时间尺度的，也就是过去两万年气候是怎么变的。下面这张图展示的是两万年以来温度的变化，可以看到平均温度在过去两万年升高了4度。 升高4度带来什么影响呢？我们看上面这张图，这4度的升温让海平面上升了接近100米。因为温度一升高，位于大陆上的或者两极地区的冰川会融化，融化的水会流进海洋，导致海平面升高。所以说目前两万年4度的升温对应100米的海平面升高，如果我们当前的温度再继续上升，海平面还会继续升高。 这张图是如果海平面上升50米，我们国家的海岸线的变化。大家看一看你们的家乡，是不是已经在海里了？特别是我们现在在的地方——上海，已经在海里了，因为上海的平均海拔只有几米。 北京的平均海拔也只有40米，到时候北京也是海了。包括武汉，很多地方都是海，所以说这个气候变化跟我们人类还是有非常紧密的关系。 这种情况到底会不会发生呢？我们再来看一下这张图，这张图展示的是过去40万年以来温度的变化。大家有没有看出什么规律性？它有明显的周期性，一高一低，一高一低，再一高再一低。 因为我们现在所处的位置就是最高的位置，所以未来如果按照这个规律变化，我们的温度应该是会降低。 如果温度降低，像欧洲、加拿大它们就不愿意了。因为它们的地区会再一次形成冰川，被冰川覆盖。但是我们上海人应该比较愿意，到时候海平面再下降，我们就有更多的土地来建房子了。 另外一种情况，就像过去一百年，我们过去一百年不是升高了一度吗？如果按照这个速率，未来几百年、一千年就会升高接近10度。如果是这种情况，那很有可能会引发第六次生物大灭绝。 所以到底是哪种情况呢？目前还不好说，但是已经有一个信号了。大家可以看看这张图，这张图展示的是过去40万年以来温度跟二氧化碳的曲线。 大家看出来什么规律没有？这两条曲线长得非常像，变化基本是一致的，也就是说我们的温度的变化主要是受控于二氧化碳浓度的变化。 但是现在有一个不好的消息是，我们现在的二氧化碳浓度已经上升到了一个比较可怕的值，这个值已经偏离了过去40万年以来的最高值，所以说这很有可能意味着我们的温度也会偏离这个周期规律。 但不管怎么说我们都要爱护我们的地球，保护环境，否则我们要想跟东方明珠塔合个影都很吃力。
