科学家揭示奥陶纪末生命大灭绝新机制

火山活动是全球气候变化和海洋化学成分发生巨大变化的主要驱动力之一,其中“平流层火山喷发”(即火山物质喷发到离地表约20公里的平流层)对全球气候有直接影响。在过去5.4亿年的地质历史中,已经发生了几次大规模的火山爆发和五次大规模的生物灭绝。然而,评估火山活动的爆发强度及其对生命进化的影响一直是一个具有挑战性的科学问题。

最近,中国科技大学沈燕安课题组以高精度硫同位素分析为主要研究方法,发现硫同位素在奥陶纪末期生物灭绝事件中具有非质量分馏作用,并提出“平流层火山喷发”是奥陶纪末期生物灭绝事件的驱动机制的新观点。相关的研究结果最近发表在《自然通讯》上。

奥陶纪末期的生物灭绝发生在大约4.4亿年前,导致世界海洋中大约85%的物种消失。这也是过去5.4亿年来地球上第二大灭绝事件。传统观点认为奥陶纪末期生物的灭绝与当时冰河时代的开始和结束有关,主要是因为全球冰川的形成和融化决定了海洋生物系统的空间变化。然而,越来越多的证据表明,奥陶纪末期生物的两次灭绝与冰川的形成和融化并不完全一致。因此,奥陶纪末期生物灭绝的驱动机制一直是地球科学领域尚未解决的重要问题之一。

为了应对这个科学问题,沈燕安的研究小组开拓了一个新的研究思路。他们对我国南方奥陶纪末期已灭绝的生命地层中的黄铁矿进行了高精度同位素分析,发现随着晚奥陶世火山的喷发,硫同位素表现出非质量分馏。当火山活动减弱和停滞时,硫同位素再次显示质量分馏。奥陶纪末发现的非质量硫同位素记录是23亿年来地质记录中的首次报道。因此,他们提出奥陶纪末期的火山活动是“平流层火山爆发”,触发并推动了当时生命的灭绝。

据研究,奥陶纪末期的“平流层火山爆发”将大量二氧化硫、硫化氢等火山物质输送到平流层,形成了以硫酸盐为主的气溶胶层。硫酸盐气溶胶层在全球气候变化和地球系统的热平衡中起着至关重要的作用,因为平流层硫酸盐气溶胶反射短波太阳辐射并吸收长波太阳辐射,从而导致地球表面温度下降(即自身加热和地球冷却)。在平流层臭氧层附近,火山释放的含硫气体(如二氧化硫)发生光化学反应,产生硫同位素的非质量分馏,形成硫酸盐等沉淀到地表和海洋中,最终储存在岩石中。短暂冷却后,“平流层火山爆发”释放出大量温室气体,导致地表温度迅速上升,形成酸雨,导致陆地和海洋酸化,海洋缺氧。因此,他们提出,由“平流层火山爆发”和海洋缺氧等环境恶化引发和驱动的一系列严重的全球气候变化,直接导致奥陶纪末期生命的灭绝。

沈亚男说,这项研究对现代全球气候变化具有重要意义。卫星观测数据显示,在过去50年里,平流层中的硫酸盐浓度一直在不断上升。一种观点认为,人类活动排放的含硫气体是由现代火山的持续喷发造成的。一些研究还认为,高精度硫同位素分析可以为探索这一重要的科学问题提供强有力的手段。

相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16228-2

标题:科学家揭示奥陶纪末生命大灭绝新机制

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