我们为何关心生物灭绝？

编者按：

“为什么会有大灭绝？”是科学家一直在讨论的问题，也被认为是当前最具挑战性的科学前沿问题之一。

5月18 日 – 6 月12日，中国科普博览携手知乎科学，发起「写给未来的答案」征集，邀请众多科研专家、青年学者，回应大家对科学的好奇，为关于未来的问题留下最新的注脚。正值“中国科学院第十八届公众科学日”，这也是我们为大家带来的“科学大礼包”之一。“爱科学，向未来”，也许你恰好是相关专业的从业者，这些问题触碰到了你的知识领域；也许你是兴趣使然，早已深耕多年，对这些问题有独到见解；又或者你也有这样关于未来的问题，期待你一起加入进来，为科学执笔，把答案写给未来。

在原初生命诞生之后的三十多亿年里，发生过无数次灭绝。学者们凭借着蛛丝马迹，探寻着这些大灾难背后的秘密与规律。1982年，JackSepkoski与David M. Raup天才般地采用统计方法研究了地质历史时期的生物种类变化，于是，有了古生物圈子人尽皆知的“Big five”(也就是著名的五次生物大灭绝)——奥陶-志留纪大灭绝、晚泥盆世大灭绝、二叠-三叠纪大灭绝、三叠-侏罗纪大灭绝，以及无人不知无人不晓的，白垩-古近纪大灭绝。

Big five 的首秀[1]

这些事件分别摧毁了当时地球上85%、70%、96%、75%与75%的物种，引发了能够改变地球整体形貌的巨大变化。当然，这些数字并不能让我们直观地体会到这些灾难来临时的状况，就像现在，虽然我们正在处于一次巨大的灭绝事件当中，但这无法让我们直观地理解消亡本身。

所以我们今天不去谈那些过往的，如史诗和传说一般的大灭绝事件。我们今天聊一个在地质历史时期微不足道的，小型的灭绝事件——当然，虽然它没有导致末日一般的灾害，但是它依然极其重要，甚至在事实上，它比任何一次灭绝事件都与我们更加息息相关。

让我们回到5550万年前，这距离上一次大灭绝事件(白垩-古近纪大灭绝)1000万年左右。在那一个春夏之交，天使吹响了长号，燃烧着的陨石从中天坠落，焚尽了世间的一切，白昼晦暗，星月无踪。陆地、海洋与天空的主宰者彻底消亡，只留下断壁残垣，等待后来者慢慢拾捡。

直径180公里的希克苏鲁伯陨石坑。影像来源：NASA/JPL-Caltech

不过在灾难发生1000万年之后，这个世界又重新恢复到一派欣欣向荣之中：哺乳动物迅速辐射，发展出了多种多样的类型；爬行动物依旧统治着许多地方，继承着来自中生代的家业；辐鳍鱼纲开始主宰海洋，它们与新产生的造礁生物一起构建了浅海的生态环境；甚至孑遗下来的鸟类也占据着广泛的生态位，巨大的冠恐鸟(Gastornis)游走在大地上，似乎在追忆先祖的荣光——一切都繁盛不已，连带着彻底崛起的被子植物——在这个新世界，大型的植食性哺乳动物还没有登场，尽管种类稀少，但茂密的森林还是满满当当地覆盖着大陆，几乎没有留下一点空地。

就在这一片繁盛景象之下，在海洋中，一个意外骤然降临。

时至今日，这次意外的原因依旧众说纷纭，不过它的结果我们却十分清楚：一种名为有孔虫的小玩意儿，在这次意外中，迎来了新生代最大的一次灭绝事件。

有孔虫是一种古老的生物，它的历史几乎与整个后生动物类群一样久远。它也是我们日常最容易见到的化石物种，你甚至可以在家中找到它们——如果你们家中采用了碳酸盐岩的装潢材料，那么十有八九你可以在上面找到这玩意儿。当然，假如你家里没有的话，你可以在周边的大型商场见到它——几乎到处都是。

装潢材料中很常见的有孔虫化石。只要仔细观察身边的这类白色灰岩，基本都能看见(图源：PaulWilliams, 'Limestone country - Limestone, dolomite and marble', Te Ara - theEncyclopedia of New Zealand,http://www.TeAra.govt.nz/en/photograph/12377/limestone)

当然，不仅仅是现代人，古埃及的法老们也几乎与它们天天见面，甚至死后也与它们同穴而寝。这些躺在金字塔石块上的化石动物叫做货币虫(Nummulites)，这是已知的最大的原生生物，由古罗马时期伟大的地理学家、历史学家斯特拉波(Strabo)首次记录——当然，货币虫并没有在这次意外中灭绝，倒霉的是另外一大类群：底栖有孔虫。

金字塔上的货币虫，它们被斯特拉波认为是金字塔建造者扔掉的豆子所化。[2]

在这次事件中，底栖有孔虫数量锐减，灭绝了全部物种的30%~50%。而与之同时发生的，则是一次惊人的碳排放事件：根据估算，大量二氧化碳被排放，速率高达平均每年约4000000000吨——而这样迅速大量的碳排放，极有可能持续了整整五万年[3]。而随着大气二氧化碳浓度的不断升高，地球平均温度也随之上涨了5~8℃。这次事件被称之为“古新世-始新世极热事件(Paleocene–Eocene Thermal Maximum)”，简称，PETM。

PETM在发现之初，便因为其突如其来的插入以及过大的δ18O偏移值而被当做误差而舍弃。直到1991年，加州大学圣巴拉拉分校的Jim Kennett在南大洋钻芯中再次注意到了这个异常的同位素变化：在古新世与始新世的交界处，δ13C与δ18O均出现了异常的漂移[4]。δ18O的偏移对应着温度的急剧上升，而δ13C的偏移则代表了大气中二氧化碳含量的激增。

而更有意思的是，除了灭绝之外，有孔虫类群还出现了更加奇怪的响应——2002年，DeborahThomas注意到，这批钻芯样品中的有孔虫壳体只有PETM之前和PETM的δ13C值，而缺失中间的过渡状态[5]。也就是说，在碳排放出现伊始，有孔虫便停止了繁殖，又或者，碳排放的速度极快，以至于无法被化石记录下来。

这样迅速的碳排放很难用一般的火山排气来解决。虽然格陵兰岛的火山活动也处于同一时间段，但研究人员怀疑它能否实现这样迅速而广泛的影响。人们开始将目光投向另外一种重要的碳源——甲烷气水包合物(Methaneice)。这个名字可能大家并不熟悉，但是它的另外一个名字在十年前可谓是家喻户晓——可燃冰。

由于这些可燃冰内的甲烷是微生物代谢产生的，因此天然具有更加极端的δ13C的负漂移值。在同等情况下，甲烷能够造成比二氧化碳更为明显的碳同位素偏移。但是即便如此，也无法解释为什么δ13C的负偏移几乎稳定的持续了4.5万年——除非有额外的碳参与进来。

可是哪里能变出这些额外的碳呢？

福尔摩斯有言：“当你排除了一切不可能之后,剩下的无论多么不合理,也一定就是真相。”虽然搞科学不能靠排除法来探寻真理，但是这确实是一个极其有用的探路方法——当人们绞尽脑汁也无法补上这额外的碳时，那么这些碳或许只能来自于地球之外——2003年，罗格斯大学的Dennis Kent大胆判断，导致PETM的大量碳来自于一颗富碳小行星的撞击[6]。

他的证据是地层中发现的单畴磁性纳米颗粒，这不同于微生物产生的磁性颗粒，只能来自于外太空中。不过他的想法并没有受到广泛的重视。毕竟1000万年前小行星才撞了一次地球，这又变出一个来，似乎有些，太过频繁了？

透射电镜下的单畴磁性纳米颗粒

当然，更加重要的反驳主要来自于碳的需求量。如果这次事件是小行星导致的，那么它需要贡献上千亿吨外星碳——这简直是无法想象的事情。但是，假如小行星并非是主要的碳源贡献者，而是一个触发过程，那么模型或许又会变得很不一样。小行星的撞击会加速地球上甲烷水合物的释放过程，也会诱发剧烈的火山活动，而它本身携带的碳也能够在短期内迅速拉升大气中的碳含量。而这一切的结果就是，一次明显异常的，快速的升温事件。

那么我们有证据吗？第一个证据是间接的，但非常有趣，2013年，仁斯利尔理工大学的JamesWright和MorganSchaller发现了一个极其古怪的黏土沉积。它表现为极其均匀的条带交错，因此代表着一种周期性的沉积事件。根据他们的判断，这一沉积过程是由季节性的日照导致的。如果他们的判断正确，那么这一组沉积物就成为了PETM事件中精度最高的参照物[7]。

呈现出规律性沉积的黏土层

他们测量了黏土中的同位素变化，发现δ13C的下降速率比以往估计的还要迅速，在短短13年里便下降了千分之四——这并非是个小数字，二叠纪末大灭绝时的快速升温事件发生时稳定碳同位素的漂移也不过千分之五，而它的时间尺度则是数十万年。极端快速的碳排放似乎使得小行星撞击变成了更加可信的驱动因素。

2016年，Morgan Schaller又报道了一个直接证据，即在美国大西洋沿岸发现的，位于PETM界线的冲击玻璃[8]。这是小行星撞击的一大证据，但是直到现在，我们仍旧无法盖棺定论，因为最为重要的证据——撞击坑，至今没有丝毫线索。

但撞击坑并不是最大的谜团——真正的谜团在于灭绝。从任何地球化学指标来看，PETM都是灾难性的、剧烈的、突如其来的重大变故，但是它却没有诱发一次大灭绝——与之相反的是，这反倒成为了一次重要的辐射事件。

底栖有孔虫遭遇了巨大打击，而浮游有孔虫则迅速演化，占据了浅表海洋。鱼类依旧繁盛，甚至在热带地区迎来了一个小高峰。昆虫迅速扩张，也迎来了数量和种类的增长期。而哺乳动物也迎来了光辉灿烂的黎明：偶蹄类、奇蹄类和灵长类在这一事件中暂露头角——甚至可以说，人类就是起源于这样的高温之中，与之相伴的，还有有史以来最大的蛇，以及最小的马。

最大的蛇——泰坦巨蟒，它的体长或许能超过12m。一般认为，它的出现与当时的高温环境密不可分。[9]

看起来，似乎一切都安然无恙，除了倒霉的底栖有孔虫。

这不是一次激动人心的巨大变革，但那迅速的碳排放却让我们感觉似曾相识——PETM或许是地球历史上最接近于现在的气候变化事件。但实际上，在工业革命的加持下，PETM的小行星、火山活动与甲烷水合物只能相形见绌——我们面对的是前所未有的碳排放过程，是PETM这种自然附加意外导致的极端事件的十倍之多。目前人类每年排放的二氧化碳当量约为每年37000000000吨，按照这个速度，我们将在150年后追上PETM所排放的碳总量。在这个尺度下，没有人能预料接下来会发生什么。

A: 显生宙大灭绝事件的次数与海洋生物灭绝率；B,C: 预估的全球灭绝情况。在碳排放无法得到抑制的情况下，我们很有可能在短期内遭遇与过往大灭绝损失相当的灭绝事件。[10]

“生命会找到出路”——我们无法预判几千万年之后发掘我们这一时代地层时会看到什么。即便从工业革命算起，人类碳排放的迅速增长也不过两百多年。在地质历史的尺度来看，200年算得了什么呢？它甚至不足以画出一条清晰的线条，提供哪怕一个小小的数据点。

但是，如果我们真的处于灭绝的序幕，那么我们是否会被记录就变得不再重要。在我们身后，会有数千年，数万年，数十万年的地层记录下我们所做的一切。它会变成一条缓慢的恢复曲线，而恢复的速度将取决于灭绝的烈度与完全不可预期的正反馈事件。

从未有哪一种生物像今天的人类一样握住了书写自然的笔，而要写下什么，就在此间的抉择之中。

唯一遗憾的是，序章已经开始，我们永远无法丢掉这支笔。

写给未来的答案-圆桌↓↓↓

参考文献:

[1] Raup DM, Sepkoski JJ, Mass Extinctionsin the Marine Fossil Record[J]. Science, 1982, 215(4539):1501-1503.

[2] Hohenegger J, Kinoshita S, Briguglio A,et al. Lunar cycles and rainy seasons drive growth and reproduction innummulitid foraminifera, important producers of carbonate buildups[J].Scientific Reports, 2019, 9(1). https://doi.org/10.1038/s41598-019-44646-w

[3] Gutjahr M,Ridgwell A, Sexton PF, et al. Very large release of mostly volcanic carbonduring the Palaeocene-Eocene Thermal Maximum[J]. Nature. 2017;548(7669):573-577.

[4] Kennett JP, Stott LD. Abrupt deep-seawarming, palaeoceanographic changes and benthic extinctions at the end of thePalaeocene[J]. Nature, 1991, 353(6341):225-229.

[5] Thomas DJ, Zachos JC, Bralower, et al.Warming the fuel for the fire: Evidence for the thermal dissociation of methanehydrate during the Paleocene-Eocene thermal maximum[J], Geology, 2002,30(12):1067-1070.

[6] Kent DV, Cramer BS, Lanci L, et al. Acase for a comet impact trigger for the Paleocene/Eocene thermal maximum andcarbon isotope excursion[J]. Earth & Planetary Science Letters, 2003,211:13-26.

[7] Wright JD, Schaller MF. Evidence for arapid release of carbon at the Paleocene-Eocene thermal maximum[J]. Proceedingsof the National Academy of Sciences of the United States of America, 2013,110(40):15908-15913.

[8] Schaller MF, Fung MK, Wright JD, et al.Impact ejecta at the Paleocene-Eocene boundary[J]. Science, 2016, 354(6309):225-229.

[9] Head JJ, Bloch JI, Hastings AK, et al.Giant boid snake from the Palaeocene neotropics reveals hotter past equatorialtemperatures[J]. Nature, 2009, 457(7230): 715-717.

[10] Penn JL, Deutsch C. Avoiding oceanmass extinction from climate warming[J]. Science, 2022, 376(6592): 524-526.

出品：中国科普博览×知乎

作者：破灭的Sunny 知乎古生物学优秀答主

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本文首发于中国科普博览（kepubolan)

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