互动科普

生物大灭绝与新物种爆发的多次轮回

如今，哺乳类动物在地球上旺盛地繁衍生息，盛况空前。但如果6600万年前的小行星撞击没有造成生物大灭绝的话，就不可能有哺乳动物今天的繁盛。正是由于称霸地球的恐龙突然灭绝了，哺乳动物才有机会占领突然空出的生态位，实现了多种多样的演化。

在漫长的地球历史上，至少发生过5次生物大灭绝。在上期的封面文章“地球与生命”中，介绍了发生在6600万年前白垩纪末期以及2.52亿年前二叠纪末期的生物大灭绝事件。此外，在2.01亿年前的三叠纪末期、3.7亿年前的泥盆纪晚期以及4.43亿年前的奥陶纪末期也曾发生过生物大灭绝事件，在这些年代上下的地层中发现了截然不同的生物化石。

同时，关于大灭绝导致多少物种灭绝，科学家也给出了初步的答案。下图描述了从现在到6亿年前的海洋无脊椎动物的科的数目的变更。最左侧为现生科的数目，从左往右依次为更古老年代科的数目。白色箭头所指的科数锐减的地方就是发生大灭绝的时期。

关于生物大灭绝的原因，发生在6600万年前的生物大灭绝是小行星碰撞所造成的，这一观点得到了广泛认可。20世纪90年代发现的陨石撞击坑等是这一学说的有力佐证。除此之外，其他大灭绝的原因一直众说纷纭，没有明确的结论。尽管科学家提出了各种各样的假说，但遗憾的是，事件发生的时间越久远，残存至今的证据就越少，假说的验证也变得越发困难。这是地球历史上最大的未解之谜之一。

图. 生物大灭绝所讲述的地球史上的未解之谜       

此图由美国芝加哥大学古生物学家杰克·塞普科斯基（Jack Sepkoski）教授制作，展示了海洋无脊椎动物科的数目从6亿年前到今天的变化（Sepkoski，1990）。时间顺序为从右到左，右侧为过去，左侧为现在。周围还描绘了各个时期的代表性生物，但种类不局限于海洋无脊椎动物。

塞普科斯基教授将海洋生物分为三类。首先，现代演化动物群是指取代了在二叠纪末期生物大灭绝中衰落的古生代演化生物群而繁荣起来的动物群，包括双壳类（具有双瓣壳的软体动物）、腹足类（具有螺卷壳的软体动物）、有孔虫、六射珊瑚、软骨鱼类、硬骨鱼类、爬行类、哺乳类等动物。古生代演化动物群是指在奥陶纪辐射演化并一度十分繁盛的动物群，包括海百合、头足类、钙质壳腕足类、四射珊瑚、笔石类等动物。寒武纪演化动物群是指在寒武纪种类增多的动物群，包括三叶虫、无铰腕足类、单板类（原始的软体动物）等动物。

这三类生物群大约出现于6亿年前，其中，寒武纪演化动物群在3.6亿年前几乎灭绝了，其他两类则一直繁衍到今天。

为什么地球被厚厚的冰层覆盖了？

可以说，全球冰冻（又称雪球地球）是地球46亿年历史中环境变化最剧烈的事件。地球是如何从全球冰冻的状态下逃脱出来的呢？为什么整个地球会冻成一个“大雪球”？让我们穿越回遥远的过去，共同寻觅6.5亿年前的地球的奥秘。

冰期结束后，冰雪消融的地球（A）开始快速升温，气温甚至能够高达50℃。大规模的火山活动喷发出大量的二氧化碳，大气中的二氧化碳含量甚至可达如今的350倍，强烈的温室效应导致地球迅速升温。可以说，二氧化碳是把地球从冰冻世界里解救出来的“大救星”。

在万里冰封的地球（B）上，除了火山以外，到处都覆盖着厚厚的冰层，大气中的二氧化碳含量非常低。而且，大部分阳光都被皑皑冰雪反射回去，无法让地表升温。

地球是否会冰冻取决于其吸收热量的多少。地球所吸收的热量又根据热量的来源——阳光的强度、地表反射阳光的比例以及二氧化碳等温室气体的含量而变化。当时的地球由于二氧化碳含量减少以及冰层反射了大部分的阳光等因素，从而进入了全球冰冻的严酷时代。

大陆的位置是关键？

为什么二氧化碳会减少呢？让我们看看冰层刚刚开始蔓延时的地球吧（C）。这时，虽然高纬度地区覆盖着冰层，但是，低纬度地区的地表仍然处于裸露状态，不断被风雨所侵蚀。

陆地被侵蚀后，溶有二氧化碳的酸雨把岩石中的钙等成分冲走，二氧化碳与钙发生化学反应，形成碳酸钙，并沉积在海洋中。这样一来，大气中的二氧化碳不断减少，导致地球越来越冷，最终进入冰期。

不过，陆地的侵蚀不断在发生，并非偶然事件。为什么二氧化碳会如此锐减，甚至使整个地球都冰冻起来了呢？1998年，加拿大地质学家保罗•霍夫曼（Paul Hoffman）教授根据冰川沉积物等证据，提出了“雪球地球”（Snowball Earth）学说，并认为当时的大陆分布情况是地球冰冻的一大原因。

通常情况下，当二氧化碳减少、气候变冷后，由于大陆遍布冰川，侵蚀就会变弱。但是，当时大部分的大陆都位于赤道附近，构成了罗迪尼亚超大陆。因此，虽然南北两极开始被冰层覆盖，但对整个地球来说，侵蚀并没有减弱。

让时光再倒流回去一些，我们来一起看看还没有被冰层覆盖的地球是什么样子的（D）。这时，陆地被风雨侵蚀，二氧化碳开始减少。除了陆地上没有生物这一点以外，那时的地球与现在没有太大的区别，风光非常相似。地球在进入这次大冰期之前，在长达15亿年的漫长岁月里，基本上没有太大的变化，一直处于较为稳定的时代。

（本文发表于《科学世界》2015年第11期）