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出品：科普中國

作者：張俊鵬 盛捷（中科院南京地質(zhì)古生物研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

說到“赤潮”現(xiàn)象，想必大家都不陌生。這種常發(fā)生于湖泊和半封閉的海灣的水華現(xiàn)象，是令人十分頭疼的環(huán)境問題。

“赤潮”是現(xiàn)代常見的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，多由富含磷、鐵等營養(yǎng)元素的大量工業(yè)排放廢水引起。赤潮發(fā)生時(shí)，輕則水體表層藻類爆發(fā)，水體透光性減弱、溶解氧氣含量降低，水體發(fā)生化學(xué)分層現(xiàn)象，底部出現(xiàn)硫化氫等劇毒成分，表層可見死亡的魚類等水生動(dòng)物，甚至發(fā)展到尸體生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞的程度。

圖1 赤潮

（圖片來源：浦東環(huán)境）

你敢想象嗎，在4.6億年前，在地球低緯度海域也曾發(fā)生過一場大型“赤潮”，海洋生態(tài)環(huán)境受到極大的影響，無數(shù)海洋生物葬身其中……

近來，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所科研人員領(lǐng)銜的中、美研究團(tuán)隊(duì)對(duì)4.6億年前保存的海相黑色頁巖開展古生物學(xué)與沉積地球化學(xué)研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的海洋缺氧水體擴(kuò)張，曾造成海洋生物多樣性大幅降低，并為當(dāng)時(shí)的“奧陶紀(jì)生物大輻射”按下“暫停鍵”。相關(guān)研究成果已發(fā)表于地球科學(xué)綜合期刊《地球與行星科學(xué)快報(bào)》上。

至于“奧陶紀(jì)生物大輻射”到底是什么，為什么要從海相黑色頁巖下手進(jìn)行研究，海洋缺氧水體擴(kuò)張會(huì)引起什么樣的嚴(yán)重后果，感興趣我們就一起往下看吧！

蓬勃發(fā)展的生命——奧陶紀(jì)生物大輻射

在漫長歲月里，生物進(jìn)化過程一直以相對(duì)緩慢的速度推進(jìn)著。而在關(guān)鍵地史時(shí)期如生物大輻射期間，海洋這一地球生命的搖籃則在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)孕育出各種各樣的生物。大家更為熟悉的“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”，就是一次規(guī)模宏大的生物輻射事件。

而發(fā)生于4.6億年前的“奧陶紀(jì)生物大輻射”，曾被譽(yù)為地球生物演化史上繼“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”之后規(guī)模最大的生物輻射事件。

該次生物輻射事件，不僅表現(xiàn)為海洋生物多樣性在屬、種級(jí)別上的翻一番，還包括生態(tài)系統(tǒng)逐漸趨于復(fù)雜與穩(wěn)定，如復(fù)雜捕食關(guān)系網(wǎng)的建立、浮游與游泳動(dòng)物的生態(tài)擴(kuò)張、底棲生態(tài)群落的發(fā)展等。當(dāng)時(shí)的海洋孕育著勃勃生機(jī)（圖2），而同時(shí)，陸地上早期植物也完成登陸并開始漫長的擴(kuò)張之旅。

圖2 奧陶紀(jì)海洋生態(tài)系統(tǒng)復(fù)原圖

（圖片來源：方翔等，2022）

由盛轉(zhuǎn)衰的原因——缺氧海水?dāng)U張

然而，生物的繁盛此等盛景并不能夠長久地持續(xù)下去，奧陶紀(jì)生物大輻射也是如此。

近年來，伴隨超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用與“奧陶紀(jì)生物大輻射”研究的深入，高分辨率的生物多樣性曲線顯示，該次生物輻射事件期間，生物多樣性在達(dá)到峰值后約10個(gè)百萬年的時(shí)間內(nèi)，持續(xù)出現(xiàn)約50%的下降，這一明顯轉(zhuǎn)折引起地質(zhì)學(xué)家的重視。

據(jù)前人研究，奧陶紀(jì)生物大輻射得益于自早奧陶世開始的全球氣候變冷與大氣氧氣含量上升等環(huán)境變化。

然而，在我國華南湖南、江西、安徽、浙江等地區(qū)中-上奧陶統(tǒng)地層，發(fā)育的大套富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖（又稱“黑色頁巖”），反映當(dāng)時(shí)的海洋水底很可能是缺氧的。

猜想一下，如果生物大輻射得益于大氣氧氣含量的上升，那么海洋底部大面積缺氧，很有可能是生物大輻射暫停的原因。

科研人員由此展開了進(jìn)一步的調(diào)查。通過分析這些沉積巖的主微量元素、鐵組分與黃鐵礦形態(tài)、氮同位素與鉬同位素等特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)距岸較遠(yuǎn)的水域表層出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象，底部缺氧水體逐步擴(kuò)張，甚至達(dá)到厭氧狀態(tài)，即底部水體中出現(xiàn)大量硫化氫等劇毒成分。

奧陶紀(jì)的海洋又沒有工業(yè)廢水的排放，那為什么會(huì)出現(xiàn)類似“赤潮”的現(xiàn)象呢？

對(duì)于這些現(xiàn)象的背后機(jī)制，科研人員解釋道：“奧陶紀(jì)中葉，氣溫進(jìn)一步的大幅下降，造成高緯度海域深部的冷流增強(qiáng)，以上升洋流的形式攜帶大量營養(yǎng)鹽到達(dá)中低緯度的近海盆地，引發(fā)表層水體富營養(yǎng)化，與現(xiàn)代湖泊的赤潮現(xiàn)象類似”。

基于這一推論，科研人員研究全球其他地區(qū)的同時(shí)代地層后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)這一現(xiàn)象并不局限于華南板塊，我國的華北板塊、塔里木板塊，美洲的勞倫板塊和歐洲的波羅的板塊均有同時(shí)代的黑色頁巖沉積。這說明，當(dāng)時(shí)的海洋并沒有之前研究認(rèn)為的那樣氧化，同時(shí)，該研究首次報(bào)道的華南中奧陶統(tǒng)黑色頁巖的鉬同位素證據(jù)以及模擬結(jié)果也能證實(shí)這一點(diǎn)。

圖3 奧陶紀(jì)中葉氣候-海洋環(huán)境變化與生物地質(zhì)事件綜合圖，從上到下依次為碳同位素證據(jù)、氧同位素證據(jù)及其反映的海水溫度變化趨勢、海平面變化與缺氧水體分布、鉬同位素證據(jù)以及生物多樣性數(shù)據(jù)（種一級(jí)）等

（圖片來源：張俊鵬等2022）

海洋的“致命呼吸”——海洋缺氧的巨大影響

至此，我們知道，奧陶紀(jì)大輻射的中后期，海洋缺氧水體曾大幅擴(kuò)張。那么，這一現(xiàn)象對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生過哪些影響呢？

氣候變冷會(huì)影響表層水體生態(tài)，同時(shí)水體富營養(yǎng)化造成大量有機(jī)碳沉降到海底，有機(jī)質(zhì)氧化分解時(shí)消耗水體溶解的氧氣，進(jìn)而引發(fā)大規(guī)模的缺氧海水?dāng)U張。缺乏溶解氧氣的水體，同時(shí)富集硫化氫，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)（尤其底棲生物群落）造成致命傷害。

因此，這一系列的氣候-環(huán)境變化，被認(rèn)為是中-晚奧陶世生物大輻射發(fā)生轉(zhuǎn)折的主要誘因。

類似的現(xiàn)象，在地質(zhì)歷史時(shí)期曾多次出現(xiàn)，最著名的是2.5億年前的“二疊紀(jì)末生物大滅絕”，是目前已知的最大規(guī)模的生物滅絕事件，同樣和全球的海洋缺氧現(xiàn)象有關(guān)。

“以古鑒今”的思路——從探究地質(zhì)歷史得到環(huán)保啟示

除了地質(zhì)歷史時(shí)期的生物滅絕事件之外，地球氣候打破“穩(wěn)態(tài)”可能帶來的災(zāi)難，對(duì)于現(xiàn)在的我們也充滿了啟示。

全球氣候變暖，是當(dāng)下各個(gè)國家和地區(qū)地球科學(xué)家的共識(shí)。但是，我們關(guān)注氣候變化，并非將其簡單理解為平均溫度的上升或下降，而應(yīng)像地質(zhì)歷史時(shí)期那樣考慮地球氣候打破“穩(wěn)態(tài)”時(shí)伴隨出現(xiàn)的一系列的極端天氣和環(huán)境災(zāi)害，如2.3億年前晚三疊世持續(xù)達(dá)百萬年的“卡尼期洪積事件”等。

同時(shí)，我們國家近年提出的“雙碳”目標(biāo)，正是積極應(yīng)對(duì)氣候變化這一全球問題的重大戰(zhàn)略。中國科學(xué)院丁仲禮院士在最新的重要著作《碳中和：邏輯體系與技術(shù)需求》中提到，“碳中和應(yīng)從碳排放（碳源）和碳固定（碳匯）這兩個(gè)側(cè)面來理解”，這兩大過程中，自然界都占據(jù)重要比重。

地質(zhì)歷史時(shí)期，火山噴發(fā)是碳排放的重要形式，海洋碳酸鹽工廠和有機(jī)碳埋藏是碳固定的重要過程，而“黑色頁巖”即為地質(zhì)歷史時(shí)期海洋碳埋藏的重要產(chǎn)物與證據(jù)。

因此，探究地質(zhì)歷史時(shí)期的“碳”，深入研究與之相關(guān)的氣候-環(huán)境變化，可為今天的我們力行“雙碳”戰(zhàn)略提供重要參考與啟示。以古論今，以古鑒今，才能更好地踐行于當(dāng)下、澤被于未來。

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