有毒黏液助長大滅絕-科學人雜誌
演化

有毒黏液助長大滅絕

2022-11-01 梅斯(Chris Mays)、瓦基達(Vivi Vajda)、麥克勞林(Stephen McLoughlin)
在史上最慘烈的大滅絕事件中,大量二氧化碳與高溫導致細菌與藻類形成的有毒黏液摧毀了河流與湖泊生態系,這段時期值得現代的人類引以為戒。
▲ 不毛之地:在二疊紀晚期大滅絕事件之前,濕地中遍佈樹木,生長茂密(左圖)。大滅絕事件後,過度繁殖的藻類和細菌阻礙這些生態系恢復生機。(繪圖:黎胥克( Victor Leshyk))

重點提要

■ 「最極端大滅絕」發生於古生代二疊紀晚期,約2億5200萬年前。隨後細菌、藻華形成的有毒黏液覆蓋地球表面的淡水生態系,約70%陸生物種與80%海生物種滅絕。

■ 近期研究發現,二疊紀晚期全球氣溫飆高10~14℃,推測原因之一是俄羅斯大火成岩區火山爆發,把此地區內的碳氫化合物轉為溫室氣體,當時大氣中的二氧化碳增加了六倍。

■ 古代的大滅絕事件有可能重演。人類活動造成生態壓力,排放溫室氣體、產生農業肥料逕流、污染水源。科學家估計,現今暖化的速度可能比二疊紀晚期更快。

某個夏日日出之時,我們團隊在距離澳洲雪梨一個小時車程處,沿著該地一處懸崖底部朝北方攀爬,任務是尋找含有地球史上最黑暗篇章線索的岩石。

40億年來,地球上的生命經歷過數次近乎全滅的可怕事件,那些事件中滅絕的物種比倖存的物種還多。最惡劣的危機發生在2億5200萬年前二疊紀(Permian Period)結束之時,那是動物遭遇過最慘烈的狀況。野火與乾旱肆虐陸地,海洋缺氧而且熱到無法忍受。

只有極少數生物熬過了那宛如地獄的時代。逾70%陸生物種與近80%海生物種滅絕,有些古生物學家因而稱這段絕望的時代為「最極端大滅絕」(Great Dying,又稱大死亡)。

那場災禍烙印在全球各地的岩石中,但澳洲東部岩岸最為明顯。上午10點左右,我們找到目標:懸崖壁上的煤炭露頭。美國康乃狄格大學的地質沉積物學家費爾定(Christopher Fielding)和我們合作很久了,他前不久才鑑定出在二疊紀末事件中河流和湖泊沉積物所形成的岩石。在費爾定的帶領之下,我們詳細研究了這場大滅絕事件中少數倖存者殘留在沉積物中的化石。

從那煤炭露頭的制高點,我們看見古代災難的第一個線索:在我們之上的砂岩壁中,沒有煤炭岩層。我們早上在攀過較低的岩層時,可以看見砂岩和泥岩之間夾著煤炭層。那些煤炭層是二疊紀晚期(2億5900萬~2億5200萬年前)所留下的,代表了南方超級大陸剛瓦那(Gondwana)上巨大植被帶中有沼澤森林,因而形成了煤炭層。而煤炭層之上,年代比較晚近的三疊紀(Triassic Period)早期岩層中,則毫無煤炭;三疊紀早期的岩層約在2億5200萬~2億4700萬年前形成。事實上全球同時期的岩層中,都找不到煤炭夾層,反映當時泥沙穩穩地沉積在河流與湖泊中,似乎不受生物干擾。

這種岩層稱為「煤炭空白層」(coal gap),過往因其中缺乏化石燃料供人類利用而遭忽略,但是最近成為了解地球歷史的關鍵。現在知道那種岩層代表當時地球生病了。在二疊紀晚期,不只是陸地生態系與海洋生態系崩潰了,連淡水生態系也未能倖免於難。我們團隊最近的研究指出,在二疊紀結束之時,全球氣溫上升,由藻類和細菌形成的藻華充塞河流與湖泊,讓這些地區不適合生物棲息。我們的研究發現有助於解釋為何二疊紀晚期大規模滅絕事件會如此嚴重,在這逐漸暖化的地球上,喚起人們關注生物多樣性的未來。

地球好熱,生命「燃燒」殆盡

隨著太陽在天空中越來越高,炎熱的陽光無情灑落。我們把幾個小時來採集到的大量化石與岩石包裝好,趁著煤炭露頭還沒有熱到無法忍受前離開。當時是2018年初夏,感覺似乎比往年同一期間進行採集活動時還要熱。可能是因為天氣真的更熱,或只是因為我們剛離開冷涼的瑞典斯德哥爾摩來到這裡(本文作者瓦基達與麥克勞林任職於瑞典自然史博物館)。無論如何,在接近中午時,我們撤退到陰涼之處休息幾小時,降降溫,同時也研究一下採集到的岩石樣本 。

我們發現,煤炭幾乎都由舌羊齒屬(Glossopteris)樹木的葉子、根部和樹枝所形成。舌羊齒在濕地中生長茂密,會形成泥炭,而泥炭之後會變成煤炭。一開始我們在緊鄰煤炭層的上方沒有發現化石。雪梨附近相近年代的岩層露頭看來都是無化石地帶,沒有植物葉片或是根部,只有一個重要的例外:簡單彎曲的洞穴,最長可達兩公尺,裡面填滿了沙。基於洞穴的大小以及形狀,我們認為最有可能是類似小型哺乳動物的爬行動物所挖出來的,這種動物大小約如同現代的囊鼠或鼴鼠。牠們在沒有其他生物活動的泥地中勤於挖洞做為巢穴,代表這些動物熬過了二疊紀晚期的災禍。除此之外,牠們的挖洞策略可能是成功活下來的關鍵,得以躲避在如火燎原的地表之下。

所有生物都得屈服於大自然,我們在從事田野工作時也得找地方避開難耐的高溫,就像是人類的祖先得熬過二疊紀晚期事件。所幸我們只需要躲幾個小時就好,但是如果無法忍受的高溫持續數個月,甚至數千年,那會怎樣?

不久之後太陽往西沉,我們得以處於懸崖壁的陰影之下。我們蒐集更多的岩石樣本,之後再回到實驗室分析,便結束了當天的工作。對絕大多數的古生物學家而言,大滅絕事件造成的死亡地帶中找不到化石,田野工作的時間因而縮短。但我們認為整個故事隱藏在肉眼看不到的化石中。

我們把當天採集到的岩石樣本,連同先前在雪梨附近採集的同年代岩石分成三份。一份寄給美國樹城州立大學的克勞利(Jim Crowley)與澳洲地球科學中心的尼柯爾(Bob Nicoll),請他們確定大滅絕事件的精確時間。第二份寄給我們在康乃狄格大學的同事法蘭克(Tracy Frank),她能夠用這些樣本計算二疊紀晚期的氣溫分佈。我們自己保留第三份,在瑞典自然史博物館中研究。我們會用顯微鏡詳細觀察樣本中的植物孢子與花粉化石,以及微小的藻類和細菌,詳細記錄生態系崩壞與復甦的過程。分析微化石(microfossil)之後發現,一如所料,二疊紀晚期的煤炭沉積之上緊鄰的岩層中,植物孢子和花粉的數量都大幅降低,代表陸地上的森林幾乎消失殆盡。不過讓我們驚訝的是,在大滅絕事件之後,藻類和細菌馬上就大量繁衍,淡水生態系中出現大量有毒的藻華黏液。這些微生物的密度實際上和現在微生物形成的藻華相同,如同在2011年與2014年北美伊利湖(Lake Erie)中發生破紀錄的藻華。由於微生物大爆發,使得水中氧氣大幅減少,而且許多微生物代謝產生的物質有毒,造成動物大量死亡。二疊紀晚期的大滅絕事件後,那些最不起眼的微生物繼承了河流與湖泊,建立新的淡水王國。我們想知道這些微生物何以擴張到這種地步,以及急速繁殖造成的後果。要回答這些問題,需要更多背景資料。

另外兩份樣本的分析結果提供新洞見。樣本年代估計值指出,生態系崩毀的時候剛好是現在位於俄羅斯「大火成岩區」(large igneous province)的火山首度激烈噴發的時期,該區域也稱為西伯利亞洪流玄武岩(Siberian Traps,又稱西伯利亞暗色岩)。「火山」似乎不足以描述事件規模,因為西伯利亞洪流玄武岩的範圍異常巨大,有數百萬立方公里。說該處是座火山,就好比說海嘯是浴盆中的一道漣漪。有研究指出,造成西伯利亞洪流玄武岩形成的火山活動,是二疊紀晚期最極端大滅絕事件的罪魁禍首,主要原因是這片岩石的組成:在大滅絕事件之前,西伯利亞岩石之下的岩層中富含煤炭、石油和天然氣。當西伯利亞洪流玄武岩一帶的火山爆發,過程中湧出的岩漿把範圍內的碳氫化合物「蒸發」成溫室氣體,散播到大氣中,結果是大氣中的二氧化碳濃度增加了六倍。

這個時間點符合法蘭克對於地球化學溫度的估計值:當時在雪梨地區,氣溫升高了10~14℃。估計的年代也確定了在雪梨地區所觀察到的改變:幾萬年內氣溫急遽上升、生態系崩潰。地球狀況快速改變,使得溫帶地區的動物要嘛滅絕,要嘛得偶爾待在比較涼的地底下以求存活。同時也造成微化石研究中所見藻華遍佈的現象:黏液革命開始了。

調製這種古代毒湯,需要三種主要原料:高濃度二氧化碳、高溫和高濃度營養成份。在二疊紀晚期事件中,西伯利亞洪流玄武岩提供了前兩種原料。樹木突然大量滅絕,提供了第三種:樹木遭摧毀之後,原本由樹木根部抓牢的土壤流入河流與湖泊,提供了水生微生物繁殖所需的所有營養成份。缺乏水中的魚類與無脊椎動物濾除浮渣、壓抑微生物的數量,導致接下的30萬年內微生物大量繁殖。一旦新的黏液王朝建立,水中微生物濃度高到有毒性,動物多樣性可能好幾百萬年都無法恢復到大滅絕之前的程度。我們發現,原本認為淡水生態系是大滅絕時期最後的庇護所,但在當時並非如此……


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