作者：黄必录

摘要：当极地冰盖的面积扩大到一定阈值，就会产生正反馈效应，由于冰雪强烈反射阳光的作用，就会使全球气候变得寒冷干燥，大气中的CO2就会通过生物碳泵的途径快速埋藏在海底和冻土中，从而影响了植物的光合，降低了NPP和植物的营养价值，使体型大和体型小但代谢率高的物种被选择性的灭绝掉。相反，当极地冰盖面积缩小时到一定阈值，也会产生正反馈效应，冻土和海底就会快速向大气释放CO2，从而导致NPP、植物营养价值和物种多样性的快速上升。因此，通过地球工程来减少进入北冰洋的暖流，就能够抑制冰川融化和全球变暖。

关键词：恐龙灭绝假说；atmospheric CO2;；净初级生产量；生态位；物种大灭绝；物种大爆发；全球变暖；地球工程

本文预印本：https://doi.org/10.31223/X5XT6B

Astrophysics（天体物理学）数据库：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025EaArX...X5XT6BH/abstract

重要的：

1，寒冷干燥的气候会使大气中的CO2通过生物碳泵的途径快速埋藏在海底和冻土中。

2，植物在缺乏CO2的条件下，NPP和营养价值都会降低，从而使体型大和体型小但代谢率高的物种选择性的灭绝掉。

3，植物在CO2充足的条件下，NPP和营养价值都会提高，从而增加物种的体型和物种的多样性。

4，通过地球工程减少进入北冰洋的暖流，能够阻止北极海冰融化，控制全球变暖。

介绍

Science 杂志发布世界最前沿的 125 科学问题，其中一个是：Why were there species explosions and mass extinction?在地球的生命史上，较大的物种大灭绝总共发生了5次［1］，并且在每次物种大灭绝之后就会发生物种大爆发。由于白垩纪末的恐龙大灭绝最为壮观，为此，人们已提出了100多种解释恐龙为什么会灭绝的假说，因此本文也侧重于讨论恐龙灭绝原因。在这里，我们先对几种主要的恐龙灭绝假说进行可行性论证，发现这些假说都漏洞百出。接下来我们提出了新的物种大灭绝与大爆发的假说，本假说认为，物种大灭绝与大爆发和大气二氧化碳（CO2）浓度剧变有关，根据本假说，最后我们还讨论了如何应对全球变暖的问题。

一 物种大灭绝假说的可行性论证

一个正确的理论是不容许存在一个漏洞，但以恐龙灭绝假说为例，发现漏洞百出：

1 小行星撞击地球［2］ ：因为该假说描述非常壮观，成为热点。但是，该假说有很多漏洞，这里不一一例出。例如，撞击抛出的粉尘只能产生短暂的核冬天［3］，即使修正为煤烟，核冬天持续时间也只有短短的3~5年［4］，根本不会导致气候的长期改变，并且化石证据还显示，小行星撞地球后，恐龙继续生存了70万年才彻底灭绝掉［5］，而且核冬天假设也很难解释不耐寒的鳄鱼、乌龟、科摩多巨蜥和桫椤等中生代孑遗生物为什么还能生存到至今。此外，小行星撞地球也无法解释白垩纪末CO2的浓度为什么会下降到只有229 ppm［6］。

2 超级火山喷发［7］：研究表明，由小行星撞击和火山喷发产生的尘埃都不会导致核冬天［8］。再说，在1.2和1.1亿年的白垩纪也发生过两次超级火山喷发，分别是翁通爪哇海台火成区和凯尔菱朗海台火成区，而且规模比白垩纪末那次的德干暗色岩火成区规模更大，恐龙照样活得好好的。白垩纪中期有一系列体量比西伯利亚还大的火山喷发，例如，Ontong-Java, Madagascar, Caribbean, High-Arctic 暗色岩喷发，也没有发生大灭绝事件。

3 超级传染病：传染病更加不可能使所有的恐龙灭绝，就像1950年，在澳大利亚实施细菌战来消灭成灾的野兔，当年死亡99.8%，但幸存下来的0.2％不久又迅速繁殖开来［9］。

4 多事件叠加：该假说认为恐龙是在多重灾难的连续打击下灭绝的。首先，象天体撞击地球等重大灾难的两次间隔时间很长，幸存者有足够的时间来恢复种群密度。如果在一次的灾难下不能使恐龙全部灭绝，幸存者就会很快恢复到原来的数量，就像大火烧过的土地，第二年就会重新披上绿装。烈性传染病过后幸存者又会迅速繁殖开来。

5 食物中毒：有毒的被子植物不是突然出现的，因此，恐龙有足够的时间去适应性演化。例如，牛一般不能过量采食有毒的银合欢树叶，然而，在中国广西北海市涠洲岛的黄牛，可以大量采食而不会中毒，原因是瘤胃中有分解毒素的微生物［10］。

6 高能辐射：包括超新星爆发、超级太阳耀斑爆发和地磁倒转等假说。但是，这些假说无法解释生存在能屏蔽辐射的海水中的鱼龙等物种为什么也会灭绝掉。而地磁倒转每隔几十万年会发生一次，更无法解释几千万年一次的物种大灭绝。

7 气候变化：包括冻死、热死和干死等，但是，地质尺度的气候变化至少需要几十万年，因此，恐龙有足够的时间迁移到气候适宜的纬度；恐龙放屁导致温室效应使恐龙灭绝的假说也不成立，因为甲烷（CH4）不可能成为温室气体［11］。

8 生存竞争：竞争者的存在不但不会导致对方灭绝，而且还有互利作用。例如，在澳大利亚，疯狂繁殖的野兔导致绵羊大量饿死，为了消灭野兔，人们采用枪击，毒杀，细菌战等仍不见效后，引进狼终于把野兔控制在允许的水平，并使野兔、绵羊和狼都能生存繁衍下去；哺乳动物偷吃恐龙蛋导致恐龙灭绝的假说也不成立，因为鸟类也会大量偷吃海龟蛋和小海龟，但海龟并不会因此而灭绝掉。

还有很多荒谬的假说，这里就不一一例出。

二 物种大灭绝必备因素

要让一个遍布全球的恐龙全部灭绝掉，必须要做到全球性和无死角的灭绝，否则，幸存者又会迅速繁殖开来。由于大气充满地球表面的各个角落，因此，能让一个遍布全球的恐龙无死角的灭绝，唯一的因素只有大气成分的变化。

三 物种大灭绝的共同特征

1）５次已知的大灭绝，都发生了地质和气候的重大变革，包括海洋和陆地布局改变、大规模火山喷发、造山运动和海退［12］；2）在十一大灭绝中，前寒武纪、奥陶纪、泥盆纪、白垩纪及始新世都显示：极区的大陆冰河相当发达，海平面下降［13-14］；3）“冰河期”大气中的CO2浓度急剧下降［15-16］；4）5次大灭绝与海洋碳埋藏增加和碳的快速输入或输出有关［17-19］。

综上提示，物种大灭绝与大爆发可能是由一种共同因素造成的。

那么，全球气温为什么会急剧下降？寒冷的气候为什么会导致大气中的CO2浓度急剧下降？大气中的CO2浓度急剧下降为什么会导致物种大灭绝？

四 导致全球气温大幅度下降的原因

驱动冰期与暖期旋回的因素可能和天文因素［20］或/和地球本身的板块漂移有关［21］，例如，由于地球表面的大陆板块是漂浮在“上地幔”缓慢流动的流体上，因此，板块与板块会不停的漂移和碰撞，从而导致大陆与大陆之间不停的处于聚合与分离的旋回中，已知在七次旋回中有五次与冰期有关。板块碰撞除了会导致火山喷发外，也会隆起高大的山脉并压缩海洋面积，重新分布陆地与海洋，改变洋流和大气环流模式，从而导致气候的大幅度波动，这可能是导致冰期与暖期交替变化的主要原因之一。

海水的比热容是沙石的4倍多，海洋的反射率大约在10%-20%之间，而冰雪的反射率则高达80%-90%，海冰表面的反射率大约在40%至65%之间。因此，当海洋面积减少到一定阈值、低纬度洋流与高纬度洋流的热交换减少到一定阈值［22］、南北极陆地面积大到一定阈值，两极就会开始结冰。当两极冰盖面积扩大到一定阈值时，就会产生正反馈效应，由于冰雪的强烈反光作用，就会使气温一路下滑，大量的水冻成冰川，从而使海平面下降。而气温下降又会降低海水蒸发速度，从而使气候变得干燥寒冷。由于冰冷的表层海水密度较大，会沉到海底，然后通过“深层洋流”把冰冷的海水输送到低纬度的热带海底，导致整个海洋的底层水处于冰冷的状态。

五 寒冷的气候如何让大气中的CO2浓度快速下降

大气CO2浓度在中生代的晚三叠纪为2132 ppm，到了晚白垩纪末，只剩下229 ppm［6］；从南极冰芯获知过去65万年间的CO2浓度，在冰河期的低值180 ppm和暖间冰期的高值300ppm之间变化；在石炭纪温暖的早期，CO2浓度高达8000ppm以上，进入晚古生代大冰河期，地球大气中的CO2浓度最低时仅为100ppm左右［15］；Fishcher等人发现［23］，在过去50万年的每次冰期到暖期的过渡时期，在温度升高之后的400-1000年，大气CO2浓度才升高；Petit等人发现［24］，在过去42万年的冰期中，温度降低之后大气CO2浓度才降低。

综上所述，值得注意的是，气温下降是在先，CO2浓度下降是在后，反之亦然。

全球多年冻土区土壤有机碳储量大约相当于大气中的CO2含量2.4倍［25］；甲烷（CH4）在高压和2～5℃下会和水形成结晶，称“可燃冰”，可燃冰可存储在冻土和海底中，光储存在海底可燃冰中的碳［11］，大约相当于大气中的CO2含量的4~5倍。历史资料显示，在白垩纪的温暖时期，海洋底层温度为15℃，不具备形成稳定的可燃冰的条件。据英国地质调查局等科学家研究认为，地球两极在白垩纪末期的温室环境下仍然可能发生冰川作用。地质学家研究发现，在白垩纪中期，大西洋靠近赤道地区的平均温度达到了42℃，但到了白垩纪晚期最低的时候只有2.2℃，因此，海底和两极的冻土已经具备存储可燃冰的条件。而陆地造煤方式固定碳比较缓慢，因此，在气候温暖时期，大气中的CO2的浓度不会影响到植物的光合，动植物有充足时间进行适应性演化，不可能造成物种大灭绝。

而在气候寒冷干燥的时期，热带雨林由湿地到干地转化，不利于大陆风化和造煤。然而，干燥的气候有利于风力把含有磷和铁的粉尘输送到海洋和冻土，给海洋和冻土施肥，从而提高海洋和冻土的净初级生产量（Net Primary Production NPP）［26-27］，然后，大量的有机质、碳酸盐、CO2和CH4被固定在冰冷的海底和冻土中，从而使大气中CO2的浓度快速下降［15，28-29］。

六 大气CO2浓度与物种大爆发和大灭绝的关系

植物在CO2浓度相对较低的条件下，除了NPP会下降外，单位质量干物质的营养价值也会下降，因此，当CO2浓度下降到一定阈值时，体型大食量大和代谢率高的物种就会被选择性的灭绝掉。

1 CO2浓度与NPP和植物营养价值正相关

考虑到适应性演化，白垩纪植物主要是由需要CO2浓度较高的C3植物组成［30］，而且可能比现代的C3植物需要更高浓度的CO2。Fiona Gill等人［31］模拟恐龙时代的气候，把温室中的CO2浓度提高到2000ppm，种植多种中生代植物，以干物质计算，一头重30吨的蜥脚类恐龙，每天只需要吃51千克植物，和CO2浓度为1200ppm生长的植物相比，可以少吃一半多。提示，提高大气中的CO2浓度，可以提高NPP和植物的营养价值，促进动植物向大型方向演化，这可能是石炭纪和白垩纪大部分的动植物体型都很大的原因。相反，降低大气中的CO2浓度，就会降低NPP和植物的营养价值，淘汰掉大型的动植物。如果大气CO2浓度快速下降，就会导致物种大灭绝，如果大气CO2浓度快速上升，就会导致物种大爆发。由于白垩纪的植物适应了高浓度的CO2，但在白垩纪末，大气CO2浓度快速下降［6，32-33］，因此就会导致陆地和海洋的NPP和植物的营养价值快速下降，从而造成陆地和海洋物种的全球性大灭绝。

2 NPP与生态位正相关

在低纬度，热带雨林NPP最大，物种最繁多，热带沙漠NPP最小，物种稀少；海洋和陆地的NPP随纬度的增加而减少，物种多样性也随纬度的增加而减少。提示，NPP与可容纳的“生态位”呈正相关。因此，当NPP下降时，超额的物种必然会遭到淘汰，如果NPP在短期内快速下降，就会导致物种大灭绝。如果NPP在短期内快速上升，就会导致物种大爆发。

由于NPP与生态位呈正相关，因此，虽然高纬度海洋鱼类演化比热带还快，但灭绝得也快［34］，这可能是高纬度海洋和陆地的物种丰度，为什么会低于低纬度的主要原因。

3 NPP和植物营养价值与物种体型和代谢率正相关

动物在食物充足和营养价值又高的条件下，身体就会往大型或代谢率高的方向演化［35］，反之亦然［36-38］。例如，生活在澳洲干旱贫瘠的内陆草原上的红大袋鼠，为了适应植被稀少，营养价值低的植物，红大袋鼠的体型只有其它大陆上的马或骆驼的1/3，基础代谢率只有绵羊的1/2。由于代谢率越高的物种，灭绝的概率越大［39-40］，因此，在NPP和植物营养价值下降的过程中，体型大和体型小但代谢率高的物种就会被选择性的灭绝掉［41-42］。

4 NPP和植物营养价值正相关

NPP较低的情况下，植物为了防止被动物过度采食，就会演化为粗硬、长刺、难消化和较低的营养价值。从白垩纪末恐龙体型大为缩小和演化出长满适于磨碎食物牙齿的鸭嘴龙也表明［43］，白垩纪末NPP较低和草料变的粗硬难消化，营养价值大打折扣，从而导致物种大灭绝。欧洲野马的灭绝，就是因为干旱导致草质变的粗硬难于消化，取而代之的是消化功能更强的野牛。

5 灭绝的原因不是饿死，而是影响繁殖率

实验证明，鸡在营养不良的情况下会产下薄壳的鸡蛋，甚至不产蛋。由于NPP下降和植物变得难消化，就会导致食草的恐龙营养不良和产下无法孵化的薄壳蛋，甚至不产蛋，从而导致恐龙断子绝孙。白垩纪末挖出很多薄壳的恐龙蛋化石就是营养不良的证据。在恐龙灭绝的K/T层碳同位素12/13比例研究表明，当时陆地和海洋植物NPP很低。在白垩纪至第三纪交界，陆地植物和以前相比相对矮小稀疏［44］，陆上的动物体型变的很小［45］，佐证了NPP和植物营养价值快速下降可能是导致物种大灭绝的原因［34-35］。

6 CO2浓度快速上升会先导致物种小规模灭绝，之后才导致物种大爆发

当极地冰盖面积缩小到一定阈值，由于失去冰雪强烈反射阳光的作用，就会产生正反馈效应，使固定在冻土和海底中的碳快速向大气释放CO2［46-47］，会导致一场物种小灭绝，因为有些物种无法适应高温、高湿和高浓度的CO2的气候。接下来，陆地和海洋NPP也会快速上升。如上所述，如果NPP在短期内快速上升，就会导致物种大爆发。由于大气CO2浓度与海平面高度、氧气含量和NPP呈正相关，因此，海平面上升就与物种大爆发具有相关性［48］。

有了发动机、轮子和方向盘等关键部件，就可以方便的组装成形状各异的交通工具。同样，当生物演化到具备了产生眼睛、肌肉、骨骼和肝脏等关键器官的基因，再加上Hox基因［49］（Hox基因是动物形态蓝图的设计师，该基因发生较小的突变，就会使动物结构发生重大变化），在食物充足和捕食者与被捕食者的军备竞争压力下，就能在短时期内产生形态和功能各不相同的物种。例如，把单细胞衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）与只能捕食单细胞衣藻的草履虫（Paramecium）一起培养，在短短50个星期内约有2/5的单细胞衣藻演化成为了多细胞衣藻［50］。

七 控制全球变暖的策略

北极海冰几乎全部融化的第一个夏天可能在2027年［51］，当北极冰盖面积缩小到一定阈值，就会产生正反馈效应，由于失去了冰雪强烈反射阳光的作用，冰川和冻土就会快速融化，海平面上升，水蒸气增加，海底、冻土就会释放出大量CO2，气候就会变得和中生代一样：高温、高湿和高浓度的CO2，很多哺乳动物将无法适应这种气候，全球生态会迅速崩溃，物种大灭绝就会重演。因此，阻止北极冰融化的问题迫在眉睫，已提出的很多种控制全球变暖的地球工程，缺点是费用奇高，副作用大，效果不持久。为此，我们提出了一种简易的地球工程：在南北极，低纬度与高纬度的洋流经过之处，安装水力涡轮发电机、堆石坝或建水闸等方法来调控流量［52］，当进入极地暖流的流量减少时，海冰面积就会扩大［22］，气温就不会高于不可逆的临界点。与Moore JC等人［53］在2018年提出的在南极水下沿冰川前方的海床建造巨型水下大坝来阻止温暖海水冲刷冰川的方案相比，具有成本更低，可行性更高。

八 结语

总之，物种大灭绝与大爆发的初始驱动因素，与天文因素或/和地球本身因素驱动的冰期与暖期，使大气CO2浓度剧变有关。

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