生命科學

生物滅絕是誰闖的禍?

生物大滅絕,到底是因為火山爆發,還是隕石撞擊?

撰文/貝克(Luann Becker,美國加州的斯克里普斯海洋學研究所地球化學博士)
翻譯/王道還(中央研究院歷史語言研究所助理研究員、本刊編譯委員)

生命科學

生物滅絕是誰闖的禍?

生物大滅絕,到底是因為火山爆發,還是隕石撞擊?

撰文/貝克(Luann Becker,美國加州的斯克里普斯海洋學研究所地球化學博士)
翻譯/王道還(中央研究院歷史語言研究所助理研究員、本刊編譯委員)

誰殺了恐龍?


第一個與大滅絕有關的隕石撞擊遺跡,就是銥元素(iridium)在地層中集中的情形。這種元素在地殼岩層中很稀少,但是在許多隕石中卻很多。1980年,美國加州大學柏克萊分校的一個研究團隊發表了一篇報告,指出義大利古比奧附近有個厚一公分的黏土層,銥含量高得令人驚訝。這個研究團隊的主持人是1968年諾貝爾物理獎得主路易斯.阿瓦雷茲,和他的兒子地質學家華特.阿瓦雷茲。地表上累積的宇宙塵,要是以每日平均值來算,無法解釋那麼高的銥含量,因此他們提出了一個假說:那個黏土層是地殼受到小行星撞擊的落塵堆積而成的;他們估計那顆小行星的直徑大約有10~14公里。

更有趣的是,那個黏土層測定的年代是6500萬年前,正值白堊紀末期(中生代結束)。恐龍時代因為一顆巨大的隕石撞擊地球而結束?也許同樣的事件與最近六億年的其他大滅絕也有關聯?這個劃時代的假說,就是從銥含量的發現誕生的。20年前這個包山包海的大膽說法震驚了科學界;大多數科學家都認為恐龍滅絕是個漸進的過程,主因是地表上的火山活動越來越頻繁。阿瓦雷茲的結論引發了熱烈辯論,學者開始重新檢驗白堊紀末期的岩層。(圖說︰銥這個元素在地球岩層中很稀少,但是某些隕石中含量很高,也許會保存在落塵形成的黏土層中。圖中深色帶即為落塵層。)

重新檢驗之後,結果發現另外三種隕石撞擊遺跡:地表上的岩石與植物顯著變形而形成微球、受撞擊而變形的石英,以及集中的煤灰。1981年,現在任教於荷蘭阿姆斯特丹大學的史密特,發現用顯微鏡才能觀察到的玻璃微粒,叫作「微球」(microspherules,圖左)。史密特認為那是熔化的岩石因為濺上空中而迅速冷卻才形成的。三年後,美國地質調查所的波霍等人,首先對變形石英的成因提出了解釋(圖右)。石英是非常穩定的礦物,即使地殼深處的高溫與高壓都沒法改變它。換言之,地球上幾乎沒有力量能使石英變形。

雖然學者已認為微球與變形石英可以當作地球遭受過巨大撞擊的證據,仍有一些人認為不妨以劇烈的火山活動來解釋。猛烈的火山爆發的確可以使石英碎裂,但是只會朝同一方向碎裂,可是波霍收集的標本,碎裂的方向卻有好幾個。微球中的微量元素,與火山爆發形成的微球截然不同。世界各地的白堊紀末期遺址中,科學家發現了超過100處有銥含量高得異常的層位,採集到變形石英標本的遺址也超過30處。


1980年代發表的四種撞擊遺跡中,最沒有爭議的就是煤灰與灰燼,那是由隕石撞擊引起的大火造成的,比正常值高10~1000倍。不過,支持隕石撞擊說最令人信服的證據,就是找到了隕石坑,位於墨西哥猶加敦半島上今天叫作奇虛樂的地方。1980年阿瓦雷茲公布了「銥假說」之後不久,地球物理學家卡馬哥與潘菲德就發表了他們的發現。他們服務於墨西哥國營石油公司(PEMEX),在墨西哥灣海底探勘油氣,哪知發現了一個巨大的圓形結構,後來估計直徑達180公里。1991年,其他學者證實了那的確是個隕石坑。

針對地球上氣候大變動、生物大滅絕的研究,從此發生了重大轉折,因為學者找到了一個合理的隕石撞擊點,就不再只是著眼於地球內部的肇因,例如火山活動,他們開始認為整個事件源自非比尋常的大災變。火山爆發與隕石撞擊都會噴出大量有毒的污染物到大氣中,例如灰燼、硫化物與二氧化碳,導致氣候變遷、環境惡化。它們的差別是發生影響的時機。隕石撞擊是瞬間事件,理論上幾千年內就能殺死大量物種。而大規模的火山活動會持續噴出污染物,長達幾百萬年,對生物與棲所的影響是漫長的。

尋找線索間的關聯


我們知道星塵像銥一樣會隨著彗塵、小行星、彗星一起掉落地表後,就決定在地球沉積層中搜尋「富勒烯」這種外來的碳分子(圖左)。我們選擇了一個已知的撞擊遺址:加拿大安大略省索德柏立一個18億5000萬年前的隕石坑。因為它相當獨特,覆蓋了一層含碳豐富的角礫岩,混合著受撞岩層的碎屑與其他的撞擊落塵。這個隕石坑與墨西哥奇虛樂隕石坑引起的爭論沒什麼不同,一直到找到變形石英與碎裂錐(這個特徵據學者的描述,就是保存在岩石中的撞擊波,見圖右),大部分科學家才相信它是隕石撞擊造成的坑,而不是火山爆發的結果。