107. 是什么导致了物种大灭绝？

What caused mass extinctions?

题记：一次巨大陨石撞击地球的灾难的确对恐龙的灭绝造成重要影响，但迄今为止，导致其他几次物种大灭绝的灾难性因素并没有找到任何确切证据。如果导致物种灭绝的罪魁祸首是更加微妙或更隐秘的原因，那么人类找到它们将需要相当长的时间。

大约在6500万年前，一颗天外小行星划过地球的上空，明亮的火球由于炙热在天空炸裂而四散飞舞，惊起地球上已经存在了两亿多年的恐龙，它们惊恐地抬起高高的头颅看向天空，大大小小的流行雨坠入地球表面，很多恐龙因此惊慌失措四散奔逃，然而它们并不知道要跑向何处。随着震天的巨响划破天空，地面在剧烈撞击中摇晃，一场灾难迅速吞噬了整个地球，地球上存在了两亿多年的恐龙因此灭绝。

以上的场景是发生在地球白垩纪末一场生物物种大灭绝的科学推测，而这次物种大灭绝仅仅是地球上五次物种大灭绝中的一次，而其他四次物种大灭绝的原因到目前并不如这次这么清楚，到底是什么导致了地球物种的大灭绝，到如今依然是一个谜。

按照大多数科学家对于物种大灭绝的定义，凡是大约四分之三以上的物种在很短地质的时间内(不到280万年)灭绝，就算做物种大灭绝。在地球46亿年的历史中，第一个已知的生命形式出现在大约36亿年前，根据如图1的地质年代的发展和在地球地层中分布的大量生物化石的改变来看，地球上物种大灭绝似乎共发生了五次，分别是：(1) 古生代奥陶纪(约4.4亿年前)大灭绝，当时地球上85%的物种灭绝，原因不确定，可能是：大陆漂移造成的气候骤冷；(2) 古生代泥盆纪(约3.75亿年前)大灭绝，地球近80%的物种被灭绝，原因不明，可能是：海洋环境缺氧；(3) 古生代二叠纪(约2.5亿年前)大灭绝，地球96%的物种被灭绝，原因不清楚，可能是：气候变暖；(4) 中生代三叠纪末期(约2亿年前)大灭绝，地球70%以上物种灭绝，原因：气候、海洋和土壤环境变化；(5) 中生代白垩纪末期(大约6500万年前)大灭绝，地球75%的物种灭亡，原因：行星撞击地球。

图1 地层结构和地质年代划分

然而人类很好奇这五次已经发生过的物种大灭绝的原因到底是什么？我们只能通过地球上生物化石的确切证据给我们讲述每一次生物大灭绝的大概场景。地球上第一次物种大灭绝发生在珊瑚和有壳腕足类动物等生物充斥海洋浅水区但还没有登上陆地的古生代奥陶纪时期。在地球上已经持续演化了大约37亿年的生命体此时已经到处扩散，并呈现了丰富的多样化。然而大约4.4亿年前，气球气候发生了改变，海洋温度快速降低，造成海洋中的大多数生物死亡，代表性生物如平壳鹦鹉螺、淡水无颚鱼等。有人认为在奥陶纪末期，地球气候变化导致出现大规模的冰川活动，冰川覆盖了地球大部发地区，这种规模的冰川首先锁住了地球上大部分水分，从而大幅降低了全球海平面，剥夺了许多物种的重要栖息地，破坏了食物链，降低了物种的繁殖率，从而造成物种大灭绝。而地球气候环境温度发生改变的具体原因是什么，有的人认为是地球表面大量山地硅酸盐岩石与水或空气中的二氧化碳作用产生大规模侵蚀(和钟乳石的形成机制一样)，从而水中和大气中二氧化碳因为过度消耗而降低，温室效应的减弱加剧了地球表面温度的降低。然而这也仅仅是猜测而并非是科学的确信结论，因为有的科学家认为可能是超新星的伽马射线爆发破坏了臭氧层，而致命的紫外线辐射杀死了地表的多种生物，还有科学家认为是火山过度喷发造成地表光照减弱温度降低导致了这次的生物大灭绝等等。

图2 第一次物种大灭绝的生物

泥盆纪通常被称为“鱼的时代”，虽然此时已有动物登上陆地，但大多数生命物种都还在海洋中游动，此时期海洋物种呈现出极大的丰富性和多样性。然而此时陆地上的植物开始进化出强大的根系，植物发达的根系极大地改变了其生长的地表形态，它们将土地中的岩石和碎石慢慢变成了土壤。松软的泥土在暴雨和水流的冲刷下将富含营养的土质带入了海洋，从而导致了藻类植物的大规模繁殖，藻类的扩张让水中的氧气被大量吸收，使周围的海洋生物窒息，对海洋食物链造成严重破坏，那些无法适应缺氧和缺乏食物的物种大量死亡，代表性生物如腕足动物门、苔藓动物门、头足类、三叶虫类、笔石类、珊瑚等。当然这又是一个推测的故事，因为还有科学家认为地球表面的火山爆发才是海洋中氧气含量下降的原因，所以第二次物种灭绝的原因也是不确定。

图3 第二次物种大灭绝的生物

第三次物种大灭绝是地球上有史以来规模最大的一次，它消灭了陆地上的爬行动物、昆虫和两栖动物中90%的物种(地球上70%的陆生脊椎动物、高达96%海洋生物消失)，代表性物种包括大部分蕨类植物、早期的昆虫、原始爬行纲、鲨鱼形动物等。而这次大灭绝似乎因为太过惨烈所以灭绝原因的观点比较一致，大多数科学家认为主要的原因是这个时期猖獗的火山活动。在二叠纪末期，在现在的西伯利亚地区爆发了强烈的火山爆发，火山向大气中释放了大量的二氧化碳，造成的温室效应使地球温度升高，气候变暖，冰川消融，海平面上升，而火山喷发造成的酸雨也袭击了陆地，溶解在水中的二氧化碳含量则持续增加，这毒害了海洋生物，剥夺了它们富含氧气的水环境，再加上不断上升的海水温度也加剧了水中含氧量的丧失。然而对这次物种灭绝原因的这种猜测依然有很多人持怀疑态度。

图4 第三次物种大灭绝的生物

发生在约2.01亿年前三叠纪-侏罗纪的第四次物种灭绝，导致80%的物种消亡。三叠纪迎来了爬行动物的大爆发，此时爬行动物中的恐龙开始遍布世界各地，它们在不同的环境中形成非常丰富的物种类型。然而不幸的事情又发生了，这回地球上的火山又发生了大爆发，这次活跃的火山位于现在被大西洋覆盖的那一片区域。与第三次二叠纪大灭绝类似，火山爆发释放了大量的二氧化碳，推动气候变化致使地球气温上升，冰川融化，海平面上升并水和土壤酸化，结果许多海洋和陆地物种灭绝，代表性动物包括大型的史前鳄鱼和一些飞行翼龙等物种。然而依然有科学家提出其他理论，比如空气海洋中二氧化碳的上升导致永久冻土中的甲烷被大量释放出来，从而把动物灭绝的锅甩给由甲烷造成的气候变化。所以这一次的物种灭绝原因依然没有确切结论。

图5 第四次大灭绝中消失的常见海洋爬行动物 惠氏凯龙 的化石

接下来就是最著名的是白垩纪-古近纪恐龙赶上的第五次大灭绝(地质学家称为K-Pg灭绝)，具体的情况是一颗直径超过13公里的小行星以7.2万公里每小时的速度撞向地球，坠毁在今天的墨西哥尤卡坦州(Yucatán)，撞击形成了一个180公里宽19公里深的坑洞，被称为希克苏鲁伯陨石坑。这次撞击烧焦了它周围1450公里范围内的所有土地，也结束了恐龙在地球上1.8亿年的统治。在行星撞击后的几个月里，由于撞击碎片和灰尘被抛入大气层，天空黑云密布，很多植物的光合作用被阻断而大量灭绝，造成了恐龙食物链的断裂从而大批食草恐龙死亡。撞击造成的光照降低导致全球气温骤降，使地球进入了一个漫长的寒冷冬季。科学家们估计，当时地球上的大多数物种灭绝都发生在撞击后的几个月内，而许多能够飞行、会挖洞或潜入海洋深处的物种幸存了下来，比如今天唯一真正恐龙的后代：现代鸟类，有超过1万种鸟类被认为是撞击幸存者小型恐龙的后代。

图6 第五次物种大灭绝中消失的恐龙化石

弄懂生物物种大灭绝的原因对人类而言就是想在今天更好地保护物种的多样性，为人类构建一个更易生存的地球生物环境。然而，按照物种大灭绝的定义，现在人类发现自己似乎正处于第六次物种大灭绝的开始阶段，比如著名的猛犸象和剑齿虎等物种的灭绝，而且这次物种大灭绝的速度比以往任何一次都要快得多。根据国际自然保护联盟(IUCN)的数据，自1970年以来，脊椎动物物种的数量平均下降了68%，目前有超过35000种物种被认为面临灭绝的威胁，仅仅在20世纪，就有多达543种陆地脊椎动物灭绝。无论以前五次物种灭绝的原因如何，目前这一次人类正在参与和目击的物种灭绝的原因能否被找到？答案还是：不知道。

所以在前五次物种大灭绝中，我们只能推测前四次物种大灭绝的原因可能是气候环境的剧烈变迁，虽然我们并不知道造成气候环境变化的具体原因是什么(可能是火山活动、冰川活动、地壳运动、地球气候大周期律等)，但那时人类毕竟还没有出现。而这第六次的物种大灭绝的气候环境变化是否和人类活动有关？有很多人认为，自1760年的工业革命以来，人类这种物种的过度发展以及污染物排放造成了地球当前环境气候的显著变化。从温室气体排放、臭氧消耗到森林砍伐、化工污染、塑料堆积，以及对森林土地的过度使用和对动物的过度捕杀，人类物种的极大发展不仅剥夺了地球上其他物种的生存空间和生存资源，而且造成了地球气候的明显恶化，所以才造成了这次物种大灭绝的产生。尽管前五次生物灭绝是在没有人类参与的情况下自然发生的，但根据这次物种灭绝的确切数据来看，人类的存在的确是加速了地球气候的变化，也加速了地球物种灭绝的速度。

然而情况是否真是这样的？无论如何，人类防止物种灭绝的最好方法就是一方面要减少人类对环境的过度破坏，如污染物的排放、温室气体的排放；另一方面应该全面开始监测生物种群的数量，并在物种频临灭绝之前发现问题，通过人工保护和干预克隆来挽救濒危物种，如果真的遇到人类无能为力和无法解决的物种问题，人类就应及时利用我们的生物技术保留它们的DNA等资料，在合适的时候利用基因修剪和插入技术，尽可能挽回和降低物种灭绝所带来的不可逆损失。