世界末日是什么样子?
是一颗小行星飞速撞向地面,整个天空被火光笼罩?还是火山岩浆像潮水一样涌出地表,各种动物四处逃散却逃不过追赶?又或者是大量温室气体造成的高温继续杀死生灵……这些可能是我们最熟悉的末日场景——不但因为在影视作品中多有现身,更因为那是我们祖先的真实经历。几十亿年的生命史经历了数次末日,虽然每一次都有生命顽强存活了下来,但每一次也都永远改变了地球生物圈的面貌。我们称之为“大灭绝”。

今天,我们来认识一种悄无声息的末日。

巨型鹦鹉螺复原图 | karencarr.com
五大灭绝开山之作
自从最早的细菌在38亿年前诞生以来,地球上生命的演化历程并非一帆风顺,突然的生物灭绝与生命“大爆发”交替出现。自复杂生命诞生以来,历史上的大规模灭绝事件有五起,今天的故事主角是第一起。4.5亿年前,奥陶纪末期。此时的地球气候温暖,最早的陆生植物可能刚刚来到陆地开拓疆域,而广阔的海洋早已生机盎然,尤其是浅海地区。

奥陶纪的繁荣景象 | The Ordovician Period: Climate and Geography
但无论是珊瑚、笔石、三叶虫还是鹦鹉螺,都无法预见到即将来临的灾难——在仅仅 400万年的时间里,两次灭绝高峰相继出现,85%的物种灭绝。在4.88至4.13亿年前的奥陶纪和志留纪时期,多起灭绝事件先后出现,但奥陶纪末的大灭绝无疑是这一系列事件中最为惨烈的一起,也让它稳居五大灭绝之一。然而,这场灭绝却进行得悄无声息。人们找不到大规模火山喷发的痕迹,找不到相吻合的小行星撞击,没有好莱坞式灾难可怪罪。那么,凶手是谁呢?

图中粉红色的部分即是奥陶纪 | britannica.com
奥陶末大灭绝:氧刀下的安静死亡
目前较主流的观点认为,奥陶纪末灭绝二连击的第一波是板块运动所致,而第二波的元凶,正是氧气。板块一直在漂移,在奥陶纪晚期,一块大陆漂到了南极,上面当然也就逐渐积累起厚厚的冰。但是和海冰不同,陆冰并不会排开海水,因此陆冰积累的结果是海平面下降——不是一般的下降,而是足足140米的下降

不要小看这个数字。哪怕是最清澈的海水,阳光也无法照射到200米以下,这意味着绝大部分海洋生物生活在不到200米的浅海里,其中又有一大部分生活在浅海海底——毕竟对很多生物而言,有海底依托要比在水中不可控地四处乱飘方便得多。而面对如此剧烈的下降,意味着绝大多数浅海海底都暴露出了水面,后果可想而知。但这只是第一波而已。第一波灭绝后有一段短暂的虚假繁荣:全球气候暂时变冷,洋流改变,海水流动性变强,与大气的交流更频繁,也携带了更多的氧气。从干涸中幸存的生物,正在享受难得的富氧喘息——这时第二波到来了。全球气候迅速转暖,海水静止下来变得缺氧,很多刚从第一波灭绝中侥幸逃生的海洋生物再次面临第二波的灭顶之灾

厌氧海水这个“刽子手”,悄然而来
与其余数次大灭绝事件类似,奥陶纪大灭绝的全部原因尚未水落石出。这个故事里就还有一个大疑点:虽然海水缺氧可以杀死一部分海洋生物,但毕竟还有很多生物生活在很浅的海域,通过与大气的氧气交换,这里并不缺乏氧气,那么这些生物是怎么被杀死的?有可能是,氧气刽子手还有别的同谋。最近的几项新研究,果然发现了蛛丝马迹——但是找到的两个嫌疑人,却大相径庭。

嫌疑人一号:
缺氧引发的重金属上升
如果一件命案陷入了僵局,怎么办?看看其他的案子,特别是作案手法相同的那些。某一起案子没有留下的证据,或许在别的案子里有所残迹。这一点研究者当然熟悉,因此,第一项研究聚焦的是奥陶纪与志留纪一系列生物灭绝事件中的最后篇章——普里道利统事件(Pridoli event)。它只是一场相对小规模的灭绝事件,发生在4.2亿年前,同样使得珊瑚、笔石和牙形石等海洋物种遭到波及;但在这起灾难中,受到影响的还有一种叫做几丁虫(chitinozoan)的化石。破案关键就隐藏在这个额外的受害者中。

人们甚至不清楚这种只有0.1~0.5毫米长的有机质化石究竟是什么,可以确定的是它们是某种浮游动物的卵。但在对几丁虫的观察过程中,研究人员发现这些浮游生物的畸形率骤升至正常情况的100倍,而且畸形率增长的时间点与灭绝事件高度吻合。

为什么?

左边是畸形几丁虫,右边是正常几丁虫。是什么造成了几丁虫的畸形? | sciencemag.org
寻找这一缺失环节的灵感出自现代海洋的生物。现代工业将大量重金属排入大洋中,无论是非必需元素还是过量的必需元素,都成为了导致海洋生物畸变的隐形凶手,从微型浮游生物到大型鱼类无一幸免。四亿年前的地球没有人类活动的干扰,这时的海洋还能富集重金属吗?答案是能,而且比现代海洋的重金属含量高得多。

研究人员对几丁虫以及这些化石所依存的岩石样品中铁、铜、砷、铝、铅、钡、钼、锰等金属元素的含量分别进行精确测量,在畸形率突增的阶段,几丁虫和沉积岩中多种金属含量都有显著增长,造成大量畸变的罪因已经被找到。

但这些金属从何而来?其实金属一直都在。海洋刚刚诞生的时代,曾经充满了各种可溶的低价金属离子;但是数十亿年前光合作用生物的兴起,令海洋中增加了一个新成分:氧气。氧气和还原性低价金属是不共戴天的,经历几亿年的化学反应,铁、锰和几乎所有其他重金属离子都变成了不溶的氢氧化物沉淀下去,封印在海底。今天的海洋生命,都是拜大氧化事件所赐。可是,这些金属毕竟没有消失,始终潜伏在海底。有一种情况可以打开封印,使得这些金属重新得以释放:

那就是缺氧,能令数十亿年之前的化学条件重回海洋。“刽子手”厌氧海水又来了,随之而来的是它的一号“帮凶”:金属离子。
在奥陶纪与志留纪,由于气候变化导致的大洋环流改变,海水厌氧环境与正常状态数次交替,而普里道利统正处于海水厌氧事件中。此时,铁锰氢氧化物被还原,各种金属以离子的形式被放归海水。它们跟随着洋流流经大洋的每一个角落,包括浅海浮游生物的栖息场所。这些含量的重金属抑制了生物正常的生长与繁殖,深海环境与浅海生物灭绝之间的链条最终被搭建完毕。

尽管并没有直接研究奥陶纪大灭绝,但这起事件与奥陶纪大灭绝的第二波相似,拥有共同的作案手法,都有地球化学证据证明其厌氧环境。看起来,重金属颇有可能在奥陶末第二波灭绝中也是氧气的帮凶。但侦探的故事并未结束——没人规定帮凶只能有一个。另一批研究者在另一个完全相反的角度上,发现了另一种痕迹。

嫌疑人二号:
缺氧引发的硒下降
第二个故事的主角是另一种元素:硒。硒在所有动物及绝大多数植物的生命活动中都是不可或缺的必需微量元素,抗氧化酶和硒蛋白的构成都少不了硒元素。在一项由澳大利亚研究团队开展的研究中,研究者提取了三次灭绝事件期间页岩中的黄铁矿——奥陶纪,泥盆纪,和三叠纪。这些闪闪发亮的微小晶体隐藏着关于硒的重要线索。一方面,硒富集于黄铁矿,量多易测;另一方面,黄铁矿与海水中硒的比值稳定,测出黄铁矿中硒的含量,海水中的数值也可以被估计出来。

结果显示,三个阶段中海水里硒的含量都急剧下降,在我们关注的奥陶纪末大灭绝中,硒的含量甚至降至现代值的1%以下。海洋中的每一环节都渴望摄入硒却不可得,这可能是海洋生态系统崩溃的罪因。

可是硒为何会下降呢?研究者指出,这也是缺氧的直接结果:和金属元素不同,硒的溶解度在氧化时上升,缺氧时则下降。

海水中硒的一大来源是陆地上的岩石风化。这些曾经被埋藏在海底的沉积岩在漫长的地质过程中被抬升到陆地上接受风化,正常情况下高价态的硒离子在这一过程中得以释放。

高价硒离子易溶于水,于是它们搭着河流的顺风车回到海洋中。但是在氧气不足的还原条件中,硒以低价态的形式存在,这些硒不溶于水,自然也就很难重新进入海水中。

不幸的是,缺氧环境正是奥陶纪大灭绝事件的场景。大气氧气库的首要来源就是海水的浮游植物,随着浮游植物的相继死亡,奥陶纪末大气中氧气含量也随之下降,海水中硒的极度缺乏也得以解释。于是,“刽子手”厌氧海水的二号“帮凶”浮出水面。

虽然两种“作案手法”截然不同,但硒与重金属造成海洋生物死亡的背后推手却殊途同归——厌氧海水。

当然,尽管这两个故事在逻辑上都很通顺,但在奥陶纪的系列灭绝事件中,过量的重金属以及硒的缺失究竟对海洋生物造成了多大的影响?在地球历史上的其它灭绝事件中,这些假设是否成立?更多的问题被抛给了古环境的研究人员。也许我们永远无法与这些远古生物会面,但这并不妨碍我们了解它们的诞生与灭亡。无论是出于为人类将来可能遇到的环境问题提供启示的目的,还是单纯为了离地球历史更近、离已经逝去的古生物更近,科学家从埋藏的地质宝藏中获取新讯息的步伐一直在向前走。