大气密度变化是生物大灭绝的主要原因

                               吉林大学：杨学祥，杨冬红

首次生物大灭绝：大规模的冰盖导致绝大部分海洋生物遭受了“灭顶之灾”

在已知地球历史上，共发生过5次全球性的大规模集群灭绝事件，发生在4亿多年前奥陶纪末的生物大灭绝是其中第一次。这次生物大灭绝持续了多长时间？一个由中国、澳大利亚、美国等多国古生物学者组成的研究团队新近发现，地球史上首次生物大灭绝事件仅发生在短短20万年之间。相关研究成果已发表在《固体地球科学》上，在学界引起关注。

八年探索攻克科学难题

奥陶纪末的生物大灭绝重创了海洋生态系统，导致当时85%的海洋生物物种灭绝。科学界普遍认为，此次生物大灭绝与冰川作用有关，但其持续时间、过程和具体发生机制等，一直没有定论。

此次，科研团队历时8年探索，在我国华南考察了百余条奥陶系—志留系界线剖面。此次研究的主要组织者之一、中科院南京地质古生物研究所研究员詹仁斌告诉记者，在奥陶纪，如今的华南地区大多数处在深水区，形成了大量黑色页岩，冰川影响的变化并不明显，给研究带来了很大的障碍。

但在云南永善县，研究人员发现了一段连续完整的、出露良好的奥陶系—志留系界线剖面。“这段剖面黑色页岩和灰岩相互夹层，地质学上一般认为，黑色页岩在深水中形成，而灰岩则在浅水中才能沉积下来。因此，这个地方记录了当时此地水位深浅的变化，完整保留了首次生物大灭绝期间的化石沉积物记录。”詹仁斌说。

更令研究人员欣喜的是，在这段24.3米的夹层剖面内，还保存了23层斑脱岩。詹仁斌介绍，斑脱岩由火山灰沉积而成，包含火山锆石这种特殊矿物，其中的放射性同位素铀会衰变成铅。“通过检测其中的衰变程度，我们就可以推算出具体的时间。”

以这些时间为基础，在详细沉积学研究的基础上，研究人员首次结合不同岩性的沉积速率差异，最终发现，奥陶纪末的这次大灭绝，发生在4.431亿年前到4.429亿年前的20万年间。

冰川作用引发生物灭绝

詹仁斌告诉记者，发生在奥陶纪末的这次生物大灭绝的原因和其他时代相比有很大差异。历史上，地球曾经出现过多次大冰期，例如石炭纪冰期、第四纪冰期等，这些时期的冰川规模并不比奥陶纪末的规模小，但均没有出现过生物大灭绝的情况。

国际同行研究认为，奥陶纪末的冰期造成的冰盖规模达到1.5亿立方千米，大约是今天地球南极和北极冰盖总和的6倍以上。如此大规模的冰盖导致全球海平面急速下降100-150米，绝大部分海洋生物遭受了“灭顶之灾”，许多门以内的生物类群灭绝并最终被新的类群取代，寒武纪生命大爆发以来的地球生物遭遇了第一次大劫难。

“20万年在地质史上不过短短一瞬。但这次大灭绝重创了海洋生态系统，当时85%的海洋生物因为来不及迁移或没办法适应新的生存环境而灭绝，原有的生物群落结构瓦解。”詹仁斌说。

同时，詹仁斌认为，像这样的生物大灭绝事件在地球上发生过数次，是自然界发展的规律。“虽然灭绝了一部分生物，但另一批新生物又将重新繁盛。地球上出现过5次大灭绝，每一次大灭绝后生物的繁盛度都远超从前。”

为研究大灭绝成因和发生机制提供重要依据

对于这次大灭绝的过程与机制，一直存在比较大的争议，其中一个重要原因就是，与大灭绝相关的地层层位虽然有比较精确的生物地层控制，但长期以来一直缺乏高精度年代学限定，从而制约了对奥陶纪末生物大灭绝时限和机制的解读。

相较其他时代来说，奥陶纪的沉积比较特殊。在奥陶纪时期，有效的火山灰记录十分有限，因此难以划分其中的具体时代，目前为止，国际上较为公认的参考年龄由数学模型计算得来，并非是根据火山灰测量出来的准确数据。

此次研究，团队总共测量了23层斑脱岩，最终得出4层有效数据，为奥陶纪具体时代的研究提供了更加准确的数据支撑。

同时，此次的测量数据与奥陶纪和志留纪的时间界限非常接近，在野外地层仅相差1米左右的距离，给出了这两个时代界限迄今为止最准确的一个估算值，即距今约442.67±0.24百万年。

这一成果，为人类精确研究奥陶纪末生物大灭绝的成因和发生机制提供了重要依据，同时也为相关地质年代的划分提供了新的标尺。

https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/1/434569.shtm

冰川作用引发生物灭绝并非是唯一原因：大气密度变化是主因

历史上，地球曾经出现过多次大冰期，例如石炭纪冰期、第四纪冰期等，这些时期的冰川规模并不比奥陶纪末的规模小，但均没有出现过生物大灭绝的情况。所以，冰川作用引发生物灭绝并非是唯一原因。

事实上，大气层的存在是生物生存的必备条件。地球大气层的演化过程预示地球生物的繁衍和灭亡。

在绿色植物尚未出现于地球上以前，高空尚无臭氧层存在，太阳远紫外辐射能穿透上层大气到达低空，把水汽分解为氢、氧两种元素。当一部分氢逸出大气后，多余的氧就留存在大气中。在此过程中，因太阳远紫外线会破坏生命，所以地面上就不能存在生命。

初生的生命仅能存在于远紫外辐射到达不了的深水中，利用局地金属氧化物中的氧维持生活，以后出现了氧介酶(Oxygen-mediating enzymes），它可随生命移动而供应生命以氧，使生命能转移到浅水中活动，并在那里利用已被浅水过滤掉有害的紫外辐射的日光和溶入水中的二氧化碳来进行光合作用以增长躯体，从而发展了有叶绿体的绿色植物。于是光合作用结合水汽的光解作用使大气中的氧增加起来。

大气中氧的组分较多时，在高空就可能形成臭氧层。这是氧分子与其受紫外辐射光解出的氧原子相结合而成的（见大气臭氧层）。臭氧层一旦形成，就会吸收有害于生命的紫外辐射，低空水汽光解成氧的过程也不再进行。于是在低空，绿色植物的光合作用成为大气中氧形成的最重要原因。这时生命物因受到了臭氧层的屏护，不再受远紫外辐射的侵袭，且能得到氧的充分供应，就能脱离水域而登陆活动。

总之，植物的出现和发展使大气中氧出现并逐渐增多起来，动物的出现借呼吸作用使大气中的氧和二氧化碳的比例得到调节。此外，大气中的二氧化碳还通过地球的固相和液相成分同气相成分间的平衡过程来调节。

一般在现在大气发展的前期，地球温度尚高时，水汽和二氧化碳往往从固相岩石中被释放到大气中，使大气中水汽和二氧化碳增多。另外大气中甲烷和氧化合时，也能放出二氧化碳。

但当现在大气发展的后期，地球温度降低，大气中的二氧化碳和水汽就可能结合到岩石中去。这种使很大一部分二氧化碳被锢禁到岩石中去的过程，是现在大气形成后期大气中二氧化碳含量减少的原因。再则，一般温度愈低，水中溶解的二氧化碳量就愈多，这又是现在大气形成后期二氧化碳含量比前期大为减少的原因之一。因为现在大气的温度比早期为低。

大气中氧含量逐渐增加是还原大气演变为现在大气的重要标志。一般认为，在太古代晚期，尚属次生大气存在的阶段，已有厌氧性菌类和低等的蓝藻生存。约在太古代晚期到元古代前期，大气中氧含量已渐由现在大气氧含量的万分之一增为千分之一。地球上各种藻类繁多，它们在光合作用过程中可以制造氧。

在距今约 6亿年前的元古代晚期到古生代初的初寒武纪，氧含量达现在大气氧的百分之一左右，这时高空大气形成的臭氧层，足以屏蔽太阳的紫外辐射而使浅水生物得以生存，在有充分二氧化碳供它们进行光合作用的条件下，浮游植物很快发展，多细胞生物也有发展。大体到古生代中期（距今约4亿多年前）的后志留纪或早泥盆纪，大气氧已增为现在的十分之一左右，植物和动物进入陆地，气候湿热，一些造煤树木生长旺盛，在光合作用下，大气中的氧含量急增。

到了古生代后期的石炭纪和二叠纪（分别距今约3亿和2.5亿年前），大气氧含量竟达现有大气氧含量的3倍，这促使动物大发展，为中生代初的三叠纪（距今约 2亿年前）的哺乳动物的出现提供了条件。由于大气氧的不断增多，到中生代中期的侏罗纪（距今约1.5亿年前），就有巨大爬行动物如恐龙之属的出现，需氧量多的鸟类也出现了。但因植物不加控制地发展，使光合作用加强，大量消耗大气中的二氧化碳。这种消耗虽可由植物和动物发展后的呼吸作用产生的二氧化碳来补偿，但补偿量是不足的，结果大气中二氧化碳就减少了。二氧化碳的减少必导致大气保温能力减弱、降低了温度（见温室效应），使大气中大量水分凝降，改变了天空阴霾多云的状况。因此，中纬度地带四季遂趋分明。降温又会使结合到岩石中和溶解到水中的二氧化碳量增多，这又进一步减少空气中二氧化碳的含量，从而使大气中充满更多的阳光，有利于现代的被子植物（显花植物）的出现和发展。　

所以，在大气演化初期，生物灭绝原因以大气稀薄寒冷为主；而在大气演化后期，生物灭绝以大气浓密高温为主。近日行星的天文数据表明，行星公转轨道偏心率的长周期变化控制了行星的大气密度和冷暖。

米兰科维奇循环的天文冰期理论

米兰科维奇理论即是从全球尺度上研究日射量与地球气候之间关系的天文理论。该理论认为，北半球高纬夏季太阳辐射变化（地球轨道偏心率、黄赤交角及岁差等三要素变化引起的夏季日射量变化）是驱动第四纪冰期旋回的主因。

米氏理论之所以能逐渐被接受，主要归功于可用来研究古气候变化的地质资料的获得，其中包括深海岩芯、珊瑚礁、花粉、树木年轮、冰芯等。20世纪60年代，在巴巴多斯岛、夏威夷和新几内亚进行的珊瑚礁研究表明，在距今约8万年、10. 5万年和12. 5万年时期，冰原尺寸缩小，海平面上升到较高水平，且存在一个2. 0～2. 5万年的周期，这与米兰科维奇计算的冰川曲线结果一致。

另外，Emilinani从深海岩芯得到的主要反映冰原尺寸变化的氧同位素记录也提供了此类信息。CL IMAP计划，结合几种定年技术，采用功率谱分析等数学方法进行的研究表明，至少地球气候变化的某些周期类型与地球轨道变化有关。1978年， Pi2sias从深海岩芯中测量了碳酸钙、硅、浮游动植物残骸在巴拿马盆地的累积率。硅的累积率反映近地表特殊类别的生物群落的大小，其值随着气候变化而增加或减小。碳化率则反映了底层水对累积的碳酸盐的溶解能力。Pisias通过功率谱分析，从整个气候记录中抽取最强的周期特征，发现碳酸盐和硅的累积率分别表现出一个2. 3万年和10万年周期，与岁差周期和轨道偏心率周期接近。

另外，这些周期也出现在另一站点岩芯的氧同位素记录中。应当指出的是，在此类研究中， 最具可信度的要属Hays等的研究，他们获取了跨度为45万年的深海岩芯记录，发现了2. 3万年、4. 2万年和10万年周期的气候变化；并认为，在过去的35万年里，这些周期一般来说都与适当的轨道周期步调一致。至此，越来越多的证据支持米氏理论，地球轨道变化影响气候的观点开始被接受。

图1  全球气候变化的地球公转轨道偏心率10万年和40万年周期

http://www.360doc.com/content/21/1205/23/36848219_1007316562.shtml

行星公转轨道偏心率控制行星大气密度和温度

我们在2006年撰文指出， 大气层对行星具有保温作用。当轨道偏心率较大的行星向太阳靠近时，太阳风和太阳辐射将一部分大气物质吹走，形成背光的“气尾”；当行星向远离太阳的方向运动时，“气尾”收缩。行星每靠近太阳一次，就失掉相当多的大气质量。

我们在2006年发现，近日行星水星、火星、地球、金星的轨道偏心率分别为0.206、0.093、0.017、0.007，大气浓度分别为极其稀薄、稀薄、标准、浓密。两者成反比的原因是，较大的轨道偏心率使行星在接近太阳时像彗星一样丢失一部分大气。地球轨道偏心率在冰期时增大为0.0607，使大气浓度和二氧化碳浓度变低，降低了对地球表面的保温作用，导致10万年周期致冷作用的增强。

由于地球轨道偏心率10万年周期项振幅不到近日点进动2万年周期项振幅的一半，其引起10万年冰期周期的作用受到质疑。大气浓度变化能增强10万年周期作用，给出10万年冰期周期的合理解释。

事实上，近日行星中，水星与火星的公转轨道偏心率最大，分别为0.206和0.093，大气密度分别为极其稀薄和稀薄，表面温度也最低，水星平均地表温度为179℃（最高为427℃，最低为零下173℃，因为距离太阳最近），火星表面平均温度零下55℃。地球的偏心率为0.017，处于中等水平，大气密度标准，表面平均温度为15℃。金星的偏心率最小，为0.007，其表面的平均温度高达462°C，是太阳系中最热的行星。近日行星的数据表明，天文冰期理论得到精准的认证（近日行星公转轨道偏心率大时，大气稀薄，表面温度低）。

近日行星的大气密度与其轨道偏心率成反比，因此，近日行星中轨道偏心率大的行星大气散失比较多，大气非常稀薄。大气层可以保持地表的气温，大气的流失降低地表气温，这是10万年冰期周期与地球轨道偏心率10万年变化周期对应的原因，地球轨道偏心率变化范围为0.017~0.067，在偏心率极大值对应冰期的出现。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-436350.html

根据米兰科维奇循环的天文冰期理论：火星目前处于轨道偏心率较大的大冰期时期，地球处于轨道偏心率较小的间冰期时期，金星处于轨道偏心率最小的极热期时期。

轨道偏心率较大的行星向太阳靠近时产生的大气丢失，是冰期产生的根本原因。大气稀薄不仅是气温低的原因，也是与冰期伴随的生物灭绝的原因。而地球公转轨道偏心率变化周期为10万年和41.3万年等，于0.005至0.058之间变化（见米兰科维奇循环）。

在八大行星中金星的轨道最接近圆形，偏心率最小，仅为0.006811。火星和地球10万年后也有可能变为金星目前状态，目前没有成为金星目前状态的可能。

火星的轨道偏心率最大，为0.093，地球的偏心率为0.017，金星的偏心率为0.007。在10万年的周期内，地球既不能变为金星，也不能变为火星，地球上的生命也不会完全灭绝。

地球史上的五次生物大灭绝

据科学家探索发现，其实我们所居住和生活的地球已经经历过五次生物大灭绝。

冰期加大气稀薄模式

第一次物种大灭绝发生在4亿4千万年前的奥陶纪末期，由于当时地球气候变冷和海平面下降，生活在水体的各种不同的无脊椎动物便荡然无存。

在距今4.4亿年前的奥陶纪末期，发生地球史上第一次物种灭绝事件，约85%的物种灭亡。古生物学家认为这次物种灭绝是由全球气候变冷造成的。在大约4.4亿年前，撒哈拉所在的陆地曾经位于南极，当陆地汇集在极点附近时，容易造成厚的积冰——奥陶纪正是如此。大片的冰川使洋流和大气环流变冷，整个地球的温度下降，冰川锁住水，海平面降低，原先丰富的沿海生态系统被破坏，导致85%的物种灭绝。

第二次大灭绝发生在3.75亿年前，也就是过了不到1亿年，这次灭绝了一半的海洋生物。海洋生物诡异般地大规模消失了，相比之下，陆地生物却几乎毫发无损。

第二次物种大灭绝发生在泥盆纪晚期，其原因也是地球气候变冷和海洋退却。在公元前约3.65亿年的泥盆纪后期，历经两个高峰，中间间隔100万年，发生地球史上第二次物种灭绝事件，海洋生物遭到重创。

这两次生物大灭绝的原因除了大冰期外，还与地球公转轨道偏心率极大值造成的大气稀薄有关（冰期加大气稀薄模式）。

超级火山加大气浓密模式

第三次大灭绝发生在2.51亿年前，相对于前一次大灭绝，这次也是又过了1亿年，也是史上已知规模最大的一次生物灭绝事件，这一次有70%的陆地生物灭绝了，96%的海洋生物灭绝了。科学家认为，灭绝原因比较复杂，可能是由于火山大规模喷发制造了大量的酸性颗粒和温室气体，不仅妨碍植物的光合作用，还推动全球气温急剧上升。与西伯利亚暗色岩喷发有关，还与地球公转轨道偏心率极小值造成的大气浓密有关（超级火山加大气浓密模式）。

第四次灭绝发生在2亿年前，和第三次时间只差了5000万年。这一次有50%的物种灭绝了，原因不明，但为恐龙成为地球上生物链的霸主扫清了障碍。

第五次大灭绝相信大家都不陌生，在6500万年前，一颗小行星撞击了尤卡坦半岛，大量灰尘进入大气层，在随后的1年时间内都是遮天蔽日，日照量锐减令植物大批死亡，随着生态系统瓦解，75%的物种惨遭灭绝，其中就包括恐龙。与印度大陆德干暗色岩暗色岩喷发有关，还与地球公转轨道偏心率极小值造成的大气浓密有关（超级火山加大气浓密模式）。一系列的灾难最终导致全球约17%的科、50%的属、75%的物种灭绝，灭绝事件的规模在5次大灭绝事件中排名第2。

参考文献

作者：郑晋鸣 纪清钊。中科院南京地质古生物研究所取得新发现，史上首次生物大灭绝持续仅二十万年。来源：光明日报 发布时间：2020/1/7 10:18:43

https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/1/434569.shtm