在地球历史上最严重的大规模灭绝发生之前，甚至没有任何预兆出现——中国科学家们和美国麻省理工学院研究者合作的新论文阐述了这样一个可怕的事实。
在大约 2.519 亿年前，二叠纪末期的大规模灭绝让地球上大约 96% 的海洋生物、70% 的陆地生物消失殆尽。这一全球性的灭绝也使二叠纪走到了尽头。
这篇关于二叠纪物种灭绝的论文发表于 2018 年 9 月 18 日的美国地质学会官方刊物 GSA Bulletin。研究者们表示在二叠纪灭绝前的 3 万年中，并没有地质依据表明物种在逐步减少。研究者们还发现那段时间中海洋温度并没有发生大的波动，大气层中二氧化碳含量也没有急剧增加。当海洋和陆地生物消失的过程中，灭绝是大规模发生的，并且对于地质变化来说，这一过程可以说是瞬时性的。
“我们可以确定地认为，灭绝并不是一步一步开始的。”这一研究的合著者，麻省理工学院地球、大气与行星科学系的 Jahandar Ramezani 这样解释道，“一个充满活力的海洋生态系统一直持续到二叠纪的最后，然后‘嘭’地一声——生命消失了。这篇文章的的重要成果在于我们并没有看到灭绝的早期预警信号。以地质学的时间标准来说，这一切都发生的太快了。”
Ramezani 的合作者有麻省理工学院地质学系的教授 Samuel Bowring，还有来自中国科学院、美国国立自然历史博物馆、加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）的科学家们。
寻找缺失的拼图
在过去二十多年中，科学家们一直致力于确定二叠纪末物种灭绝的时间与时长，从而希望进一步寻找可能的灭绝原因。考古界的大部分注意都集中于中国东部的煤山剖面。煤山剖面位于浙江省长兴市，是一系列地貌保存完好、化石丰富的岩石层。
“问题在于，煤山剖面沉积在深水环境中并且因此高度压缩了。”来自中国科学院南京地质古生物研究所、这项研究的领导者沈树忠院士表示，“这样的话，这一岩石记录就有可能不完整。”煤山剖面中，仅有大约 30 厘米的古代沉积层表现了二叠纪末物种灭绝的这一时段。沈院士认为煤山特定的海洋环境可能会让一些时段中的沉积物无法沉降，从而出现“沉积断层”，那一时段的生物证据和环境条件可能都没有记录。
图丨Sam Bowring （左）and Doug Erwin （右）在前往蓬莱滩的路上（来源：沈树忠院士）
在 1994 年，沈院士带领 Bowring 和古生物学家 Doug Erwin 前往中国南部一片经研究较少的岩石层——广西蓬莱滩——进行考察。Doug Erwin 现任国家自然历史博物馆古生代无脊椎动物馆馆长，同时也是这篇论文的合著者之一。地质学家普遍认为蓬莱滩的岩石地貌“更加扩展”。与煤山岩石层中的 30 厘米相比，蓬莱滩的沉积层大约 27 米，并且和煤山沉积层的形成时间大约相同，都记录了大规模灭绝发生前的一段时间。
Ramezani 认为这次考察意义重大：“它（蓬莱滩）来自古代海洋盆底的不同部分，更靠近大陆，能观察到其中有更多的沉积过程与生物活动的痕迹。因此，我们能得到更多的信息，包括这一时间段内环境和生物的变化。”
研究人员精心收集并分析了蓬莱滩剖面的多层样品，其中还包括因海床缓慢被大陆地壳压挤而导致火山活动，最终沉积的灰床样品。这些灰床含有锆石，也就是含有铀和铅的微小矿物颗粒。研究人员可以测量它们的比例，以确定锆石的年代，以及含有锆石的灰床的年代。
图丨显微镜下锆石照片（来源：Jahan Ramezani）
Ramezani 和他的同事们使用了这种大部分由 Bowring 开发的检测手段，精确测量了蓬莱滩剖面数个辉床沉积层的年代。根据这些分析，他们得出了最终结论：二叠纪末期的灭绝过程是突然发生的，时间大约在 2.52 亿年前，出入至多 3.1 万年。
“突然一击”
研究组同时也分析了化石沉积岩和氧、碳同位素，得到了这些沉积岩形成时海洋温度和碳循环的状态信息。他们本以为可以从岩石中看出物种一波一波消失，最终形成大型灭绝；他们也以为海洋温度和化学成分会出现大的变化，从而导致了接下来的巨大灾难。
“我们本以为会观察到物种多样性的逐步减少。比如说，某些物种的适应性比其它物种弱，那我们就会认为它会更早灭绝。但是我们并没有观察到这种现象。”Ramezani 说，“物种的消失非常随机，并没有遵循某种生理过程或环境影响。这让我们认为，我们观察到的这一系列灭绝前的现象和灭绝本身并没有关系。”
例如，研究人员们发现在蓬莱滩剖面的底层形成时期，海洋温度大约 30 度，而在 3 万年后剖面顶层的形成时期，海洋温度上升到了 35 度。尽管如此，与生物全球性灭绝后的大规模升温相比，这点升温显得微不足道。
“生物灭绝后，温度立刻产生了非常大的变化。海洋温度非常高、非常不舒适。”Ramezani 说，“所以我们可以将‘海洋升温’排除在灭绝原因之外。”
图丨显微镜下的二叠纪有孔虫化石
所以到底是什么导致了这次突然的、全球性的物种灭绝呢？目前最主流的假设是，二叠纪的灭绝是由大规模的火山爆发造成的。火山喷发出了超过 4 千万立方千米的熔岩，形成了目前俄罗斯西伯利亚的西伯利亚暗色岩。这种大规模、持续性的火山爆发可能会释放出大量的二氧化硫和二氧化碳，加热大气并使海洋酸化。
Bowring 和他之前的研究生 Seth Burgess 确定了西伯利亚暗色岩火山爆发的时间和二叠纪末期物种灭绝的时间相符。但是根据研究人员在蓬莱滩收集到的新数据，尽管火山爆发持续了二叠纪末期约 40 万年，大规模灭绝前的 3 万年内并没有出现海洋物种大规模死亡，或是海洋温度、大气碳含量的重大变化。
“我们可以知道灭绝前后都有大规模、高密度的火山爆发，这有可能造成了环境压力大、生态不稳定。但是事实上生态突然之间就崩溃了，我们目前还不能从记录这一时期的岩石层中找到这一现象的原因。”Ramezani 说，“这篇论文的关键部分是确认了这一灭绝过程的瞬时性。我们现在可以排除任何认为这一灭绝过程来自于二叠纪末期环境变化等，这类灭绝过程缓慢的假设。现在看来，似乎世界遭受了‘突然一拳’，我们依旧在试图分析这一突然变化到底是什么，还有究竟是什么导致了这一变化。”
“从地质学的角度来看，目前越来越多的证据表明地球的主要灭绝事件发生在非常短的时间尺度上。这项研究正是为这一理论添砖加瓦。”未参与这一研究的斯坦福大学地质科学和生物学教授 Jonathan Payne 这样评价这一成果，“二叠纪灭绝甚至仅仅发生在几个世纪之内。如果事实证明，在一个较长的持续变化区间内，环境其实有一个临界点，那么我们就更应该特别关注目前的全球环境变化与这一事例的相似之处。”
