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在國家自然科學基金項目資助下，北京大學地球與空間科學學院沈佳恒研究員在二疊紀末生物大滅絕研究中取得重要進展。相關研究成果以“Early and late phases of the Permian–Triassic mass extinction marked by different atmospheric CO2regimes”為題，于2022年10月3日在線發表在國際著名期刊《自然·地球科學》（Nature Geoscience, IF: 21.531），沈佳恒研究員為該項研究工作的第一和通訊作者，合作單位為中國地質大學（武漢），德州農工以及哈佛大學。全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41561-022-01034-w
當今地球是否已進入“第六次物種大滅絕”？人類是否正在經歷二氧化碳濃度升高、全球氣候快速變暖和生態環境不斷惡化？想要回答這個問題，僅依靠我們人類所觀測得到的短尺度數據是不夠的。研究“深時”(Deep Time)記錄——二疊紀末生物大滅絕事件，可以幫助我們尋求其中的答案。
發生在距今約2.5億年前的二疊紀末生物大滅絕是地球生命演化史中最大規模的一次生物集群滅絕，約90%的海洋物種和70%的陸地物種消亡，是罕見的海洋和陸地生態系統同時面臨崩潰的地質突變事件。西伯利亞大規模火山活動被認為是導致此事件的“元兇”，而后引發的一系列氣候環境變化（全球變暖、海洋缺氧、酸化、高碳酸血癥等）使得生物面臨滅頂之災。然而此一些列氣候、環境和生物演化機制還有待于進一步精確的厘定。針對此問題，該項研究通過對廣元上寺剖面樣品進行測定分析，為此事件提供了直接的氣候變化以及古海洋初級生產力群落結構演化的地質記錄，并結合模型進一步詮釋了該時期兩幕生物滅絕的不同機制。
針對該時期的氣候變化，沈佳恒研究員利用遠古葉綠素的生物標志化合物單體碳同位素定量重建了該時期的大氣二氧化碳濃度（圖1和2）。重建結果顯示第一幕滅絕，pCO2最低；隨后pCO2快速上升，步入緩慢上升期，此高pCO2一直持續至早三疊世的第二幕滅絕，并達到最高值；之后pCO2開始緩慢下降。此重建結果詳細刻畫出了兩幕滅絕時不同的pCO2特征。生物標志化合物單體氮同位素被用于定量重建該時期海洋初級生產力群落結構（細菌及真核生物）的演化（圖1和2）。重建結果顯示第一幕滅絕時，海洋初級生產群落以真核藻類（eukaryotes）為主；而第二幕滅絕時，藍細菌（cyanobacteria）則以絕對優勢~100%全面占據海洋初級生產群落。
結合全球碳循環模型（Long-term Ocean-atmosphere-Sediment CArbon cycle Reservoir Model, LOSCAR）作者重塑了該時期氣候和碳循環擾動的響應機制。研究認為第一幕滅絕時的低pCO2是由于西伯利亞早期（早于第一幕滅絕~300 kyr）大規模玄武巖噴發產生大量新鮮可風化物質而非強烈排氣作用。此階段脈沖式風化能力的增強可有效抑制大氣中二氧化碳的累積，并帶入大量營養鹽和礦物至海洋，增加海洋堿度，緩沖海洋碳酸鹽平衡體系和海水pH值變化；而營養鹽的大量輸入導致海洋富營養化，促使真核藻類繁盛，此條件伴隨著高生產力出口導致海洋出現短暫且嚴重的缺氧環境，從而使得生物滅絕。
而后，長時間西伯利亞火山活動的持續作用耗盡了表層可風化物質，導致硅酸鹽風化反饋失效，失去調節大氣二氧化碳的能力。此臨界點（第一幕滅絕）標志著大氣二氧化碳開始累積，海洋緩沖能力失效；同時營養通量急劇減少，導致生產力下降，海洋缺氧情況得以緩解。此臨界點后，二氧化碳快速上升，氣候變暖，海洋分層加劇；同時海洋貧營養環境促使了藍細菌以絕對優勢全面取代真核藻類。由此，海洋食物鏈底層的生產群落崩潰以及生產力出口通量的削弱最終導致了早三疊持續高的大氣二氧化碳濃度以及海洋酸化，從而引發了第二幕滅絕。LOSCAR模型也定量驗證了早三疊世的長期高pCO2不僅是由火山活動引發的，而是從根本上，由海洋生態系統特性結構的變化所導致的（圖3）。此外，作者還運用LOSCAR模型重構了該時期可能的碳排放場景：排放總量約為 5,000 PgC（不考慮早期西伯利亞火山作用），排放時間集中發生在P-Tr界線時期，持續約200 kyr。另外，該時期可能的碳源組成：40%來自火山噴發的地幔來源和60%來自高溫巖漿侵入富有機質層釋放的大量較輕碳源。
基于以上，該研究提出二疊紀末兩幕式生物大滅絕具有根本不同的滅絕機制特征。第一幕的特點是富營養化、缺氧而導致喪失棲息地的滅絕，而第二幕是極熱、高碳酸血癥、食物網崩潰的滅絕。此結果有助于解釋為什么二疊紀末生物大滅絕是地球歷史滅絕之最。
圖1：研究分析測定的全巖碳、氮同位素及生物標志化合物單體碳、氮同位素
圖2：基于生物標志化合物單體同位素重建的二疊紀末生物大滅絕時期大氣二氧化碳濃度及古海洋初級生產力群落結構的演化
圖3：LOSCAR模擬結果
標簽： 生物大滅絕
