揭开生物复苏的神秘面纱
2020-04-01 20:17
来源：中国科学报
二叠纪末期（2.52 亿年前）发生的显生宙最大的生物灭绝事件，引发了严重的海洋和陆地生态系统危机，约75％的陆地生物物种消失。那么，大灭绝之后生态系统需要多长时间才能恢复？
近期，中国科学院南京地质古生物研究所（以下简称南古所）科研团队发现，二叠纪末大灭绝之后湖泊和森林生态系统可能需要长达一千万年的时间才能明显恢复，相关成果3月31日在线发表于《地质学》。
“如果没有在地层中发现那么多门类的化石，就构不成一个完整的生物链条，也就无法得到文章的结论。”论文通讯作者、南古所现代陆地生态系统起源与早期演化研究团队研究员王博告诉《中国科学报》，“我们历时10年，在陕西铜川的野外地层踏勘，终于揭开了生物复苏的一层神秘面纱。”
生物复苏时间漫长
人类出现之前，在地球历史上曾经出现过多次极端气候事件（如极冷或极热的气候事件），最著名的是五次生物大灭绝事件，比如，人们所熟知的恐龙灭绝，发生于6600万年前的白垩纪生物大灭绝事件。
“我们的这项研究聚焦于二叠纪末期发生的显生宙规模最大的大灭绝事件。”王博解释道，“这次大灭绝事件造成了约80%的海洋生物和约75%的陆地生物在数万年内迅速灭亡，之后形成了一直持续至今的现代生物群。”
当时学界普遍认为这次大灭绝事件是由西伯利亚大火成岩省的爆发导致的连锁反应造成的：大量的二氧化碳被注入到空气中，导致全球变暖和酸雨的产生，酸雨杀死了陆地上的植物，使得陆地上发生了大规模的侵蚀作用。
在二叠纪大灭绝后，地球上的环境还不稳定，碳循环波动十分明显，气候持续高温干旱。每个类群的复苏模式也不相同。
论文第一作者、南古所现代陆地生态系统起源与早期演化研究团队的博士研究生赵向东介绍说：“其中复苏最快的是有孔虫、菊石和牙形石，需要经历100万～200万年就能恢复至大灭绝前的水平，而海洋造礁生物和陆地森林大约需要1000万年才能完成恢复。”
此前的研究发现，海洋生态系统在安尼期的中晚期至后期，即二叠纪大灭绝之后的800万～1000万年，才取得了明显的恢复，并且在三叠纪晚期仍在继续进行恢复。
比记录早了500万年
迄今为止，已知最古老的中生代复杂湖泊生态系统可追溯到中国和中亚地区中三叠世晚期—晚三叠世早期的记录。王博向《中国科学报》介绍：“由于三叠纪早、中期深湖相沉积地层和化石记录较为缺乏，我们对于湖泊生态系统的复苏模式和时间了解较少。”
为此，南古所现代陆地生态系统起源与早期演化研究团队与长庆油田工程师解古巍等人合作，对鄂尔多斯盆地的中三叠统湖相沉积地层进行了系统研究。
为什么选择在我国鄂尔多斯盆地踏勘？王博解释道，鄂尔多斯盆地的三叠系地层构造简单，层序清楚，并赋存丰富的矿产资源和化石资源，是研究陆相三叠系层序地层和恢复古环境的关键地区。
“经过我们团队十年的野外工作和采样分析，首次提出湖泊生态系统在中三叠世中期（大灭绝后1000万年）就显示了明显的恢复。”王博说，我们在霸王庄、马庄和衣食村剖面共采集了四个火山源的样品（凝灰岩、火山灰、凝灰质砂岩）进行了同位素测年。“同位素测年敲定了这是二叠纪大灭绝后最早的厚层湖相油页岩沉积，比之前的记录早了500万年。”
科研团队在鄂尔多斯盆地南部铜川组油页岩中发现了较丰富的植物、介形虫、叶肢介、鲎虫、昆虫、鱼和鱼粪等化石。
其中有个有趣的发现，赵向东告诉记者：“我们发现最大的螺旋状鱼粪化石长达77 毫米，表明当时湖泊中存在体型较大的捕食性鱼类，但是根据目前发现的最大鱼化石碎片推测出其体长仅250 毫米，与鱼粪化石所展现的鱼的体型不相符，这可能是由于大型鱼类在沉积物中不易于保存成化石的缘故。”
通过对鱼粪化石进行切片，科研团队在其中发现了双翅目昆虫的大颚。“切片中大颚的发现是鄂尔多斯古湖泊中鱼类取食昆虫幼虫的直接证据。”王博解释道，“这种生态类型与大灭绝之前湖泊中双翅目幼虫普遍缺失和水生甲虫稀少的情况明显不同，代表了一个典型的中生代湖泊生态系统，这和三叠世海洋生态系统相一致。”
为油气勘探提供依据
在三叠纪最初的1000万年内，世界各地的陆相地层中普遍缺失煤层，因此这段时期也被称为“煤层缺失期”。
通常认为中三叠世煤层的再次出现，代表了大灭绝后森林生态系统的明显恢复。在鄂尔多斯盆地，已知最古老的三叠系煤层产出自二马营组的最上部，其年龄略老于铜川组油页岩的年龄。
王博介绍道，我们依据油页岩的出现时间，建立了与海相生态系统复苏相对应的“油页岩缺失带”，与陆地上“煤层缺失带”的时间相吻合，这也为油气资源勘探提供了化石证据。
此外，由于早三叠世炎热的气候会限制湖泊中的溶解氧含量，从而阻碍了生态系统的复苏。然而，在安尼期海洋中碳埋藏的大量增加，可能会导致大气CO2含量下降和全球降温，从而改善了湖泊的生态条件。
王博说：“火山灰会给湖泊带入丰富的营养物质，可能显著提高了鄂尔多斯盆地古湖泊的初级生产力。因此，全球温度降低和火山灰养分输入可能共同促进了鄂尔多斯盆地古湖泊生态系统的繁盛。”
科研人员在采集化石
剖面产出的各类代表性化石。A-C, 鱼粪；D-E，鱼粪切片；F和G，甲虫；H，鱼；I，介形虫；J，鲎虫。
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