臭氧層破壞導致生物大滅絕的直接證據被發現

  距今2.52億年前的二疊紀末大滅絕事件是顯生宙最大一次滅絕事件，造成了約81%的海洋物種和89%的陸地物種滅絕。其主要原因被認為是大規模火山噴發導致的環境變化，但仍缺乏環境因素影響陸地生態系統的直接證據。近日，中國科學院南京地質古生物研究所研究員劉鋒與英國、德國同行等合作，通過研究該時期化石花粉粒中「防晒霜」含量的變化，發現臭氧層破壞導致二疊紀末陸地生物大滅絕的直接證據，研究成果於1月6日線上發表於國際學術期刊《科學進展》。
  科學家普遍認為二疊紀末期西伯利亞大火成岩省的噴發造成的全球溫室氣體增加、全球變暖及海洋酸化可能是引起大滅絕的主要誘因。這些環境因素是如何影響陸地生態系統的？目前仍有很多爭論。
  一些孢粉學家在陸相二疊—三疊紀過渡剖面發現了一些畸形孢子和花粉，推測這可能是由西伯利亞大火成岩省噴出的鹵族元素造成的全球臭氧層破壞誘發的紫外線輻射增加引起的。但對現代植物中產出的畸形孢子和花粉的研究表明，乾旱、空氣汙染以及植物體的外傷都有可能誘發植物體產生畸形孢子或花粉。僅憑在陸相二疊—三疊紀過渡剖面發現的少量畸形孢子和花粉並不能直接證明二疊紀末期大滅絕期間存在全球臭氧層空洞引起的紫外線輻射增加。
  如何測定反推地質歷史時期大氣紫外線輻射強度成了研究的突破點。光合作用可以為植物體生長提供能量，但陽光中有害的紫外線會對植物生殖細胞（孢子和花粉）中遺傳資訊產生破壞。為適應陸地輻射環境，植物體的生殖細胞演化出了調控機制。植物的孢子和花粉的外壁中含有大量功能與「防晒霜」十分相似的化合物（香豆酸和阿魏酸），這些化合物可形成共振穩定的酚自由基，抵抗紫外線引起的氧化作用，從而保護脆弱的孢子和花粉，為陸生植物的傳播和繁衍提供了保障。現代植物學家觀察到植物體會根據周圍紫外線輻射環境自動調節其生殖細胞外壁「防晒霜」含量，且「防晒霜」能夠在惰性的孢子和花粉外壁中保存很長時間。
  研究團隊認為，理論上可以通過「防晒霜」在孢子、花粉中的含量測定反推地質歷史時期大氣紫外線輻射強度。這也是該研究方法第一次用於現代花粉研究之外的用途。
  研究團隊運用傅里葉變換紅外光譜，對產自我國西藏南部二疊—三疊紀過渡剖面的1011粒阿里型花粉中的香豆酸和阿魏酸進行了定量測量，通過對紅外光譜的大數據分析，發現在二疊紀末大滅絕期間地層中花粉外壁的香豆酸和阿魏酸含量明顯高于滅絕前後化石花粉中該化合物的含量，直接證明了二疊紀末期大滅絕期間存在全球紫外線輻射增加的現象。同時，通過對剖面地層的有機碳同位素和汞的濃度進行分析，發現這兩個指標的異常波動與化石花粉中出現大量香豆酸和阿魏酸的層位基本相當，進一步確認了研究結論。
  空氣中紫外線輻射量的增加對整個陸地生態系統具有深遠的影響。為了抵禦紫外線對葉肉細胞的破壞，植物體會在其葉片中大量合成葉黃素等，相應減少葉綠素的合成，導致植物體光合作用的減弱，進而使得植物體對溫室氣體吸收能力減弱，進一步加重了二疊紀末期火山噴發引起的全球溫室氣體增加。另外，葉黃素等對草食動物和昆蟲來說難以消化、營養價值較低，紫外線輻射的增加由此間接影響了陸地食物鏈，可能是導致二疊紀末陸地草食動物以及昆蟲大滅絕的主要原因。
  「植物的光合作用是全球最大的減碳、固碳過程，而這一過程很容易受到紫外線強度增加的抑制。二疊紀末期的陸地上的大滅絕其實是溫室氣體增加和紫外線輻射增強相互疊加引起的。如今地球上溫室氣體仍在不斷增加，我們需要注意紫外線輻射強度，避免兩者疊加，造成生態災難。」劉鋒告訴記者。（記者蘇雁）