生物大辐射后为何又按下暂停键？

距今约4.6亿年的奥陶纪大辐射，是地球历史上规模最大的生物辐射事件之一。然而物种达到峰值后，却发生了锐减。最近，中国科学院南京地质古生物所科研人员与国外同行合作研究发现，奥陶纪气候变冷期的缺氧海水扩张，可能是大辐射期间生物多样性达到峰值之后发生明显转折的诱因。相关研究成果发表在国际知名刊物《地球与行星科学快报》（EarthandPlanetaryScienceLetters）上。

奥陶纪中叶出现了生物的“黄金繁育期”

5亿年前，地球发生了轰轰烈烈的寒武纪生命大爆发，成为地球生命演化历史的里程碑。因为它实现了众多生物门类从无到有的变化，现代几乎所有动物和植物的老祖宗都在这时候出现。

但是，寒武纪的海洋依旧荒凉寂寞，因为每个新生门类的生物都只有少量的属种，而且形态相对单一。而距今约4.6亿年的奥陶纪中叶，是地质历史上“寒武纪生命大爆发”之后海洋生命的又一个“黄金繁育期”。

中国科学院南京地质古生物所张俊鹏博士告诉记者，此时大气二氧化碳含量持续下降，地球走出长达几千万年的温室气候，而氧气含量呈现阶段性增长并一度达到现代大气水平的一半，表层海水几乎彻底氧化。这样宜居的环境下，海洋生物多样性剧增，生态系统逐渐趋于复杂和稳定。与此同时，早期陆地植物也开启它们的陆地“开荒之旅”。

“当时的低纬度海域表层海水平均温度约25~30℃，与现代赤道气候十分接近。处于低纬度地区的大陆架，如华南板块、劳伦板块和波罗的板块的近海陆棚，成为适宜生物繁衍的环境。”张俊鹏说，因此，这些板块在奥陶纪保存下的沉积岩中，发现大量精美的化石，如三叶虫、腕足类、头足类、笔石、几丁虫等。

古生物学研究通过确定这些化石的属种并统计多样性，绘制出生物多样性曲线，发现海洋生物多样性在中奥陶世达瑞威尔期出现峰值，这一现象被成为“奥陶纪生物大辐射”。

对于“奥陶纪生物大辐射”，前人曾提出多种成因假说，如气候变冷、大气氧化、海平面上升，甚至包括地外因素如小行星分解等。

“生物大辐射”后为何又按下“暂停键”

最新的高分辨率生物多样性曲线表明，华南的种一级多样性在生物大辐射峰值之后出现近50%的降低，这一发现近来引起地质学家的重视。然而这一转折及其环境背景机制，却一直未被深入研究。

最近，中国科学院南京地质古生物所张俊鹏博士、张元动研究员与国外同行合作完成的研究表明，奥陶纪的开阔大洋深部并未大范围氧化，气候变冷期的缺氧海水扩张，可能是多样性出现明显转折的诱因。

张俊鹏博士告诉记者，支持这种观点的最新证据，来自我国华南地区中-上奥陶统黑色页岩，主要分布于我国湖南、江西、浙江、安徽等地。无独有偶，同时代的黑色页岩还包括我国塔里木地区的萨尔干组与华北鄂尔多斯地区的乌拉力克组、劳伦板块西北缘的RoadriverGroup和波罗的板块的AlumShale等。

这些黑色页岩，均形成于容易被上升洋流影响的中低纬度近海盆地。“类比现代海洋，气候变冷时，来自高纬度的深部冷流增强，会以上升洋流的形式携带更多营养盐到达中低纬度的陆棚区，刺激表层海水生产力增高，向下输出的有机质增多，到达海底的有机质分解时消耗大量溶解氧，从而造成海底缺氧现象。”张俊鹏解释说。

中-晚奥陶世气候-环境变化与生物事件综合图

海洋“缺氧”，影响海洋生物群落的繁盛

这些缺氧海水，尤其是硫化氢和重金属富集的海水，会伴随上述效应的增强而发生扩张，沿陆棚进入浅水环境时影响水体生态。这一现象和现代湖泊的“赤潮”类似，但影响范围更大，持续时间更长，因此对海洋生态系统的破坏更严重。

从全球尺度来看，越来越多的地质证据表明，奥陶纪的海洋深部并未被大范围氧化，且频繁地发生缺氧海水扩张并上涌危害透光层的现象。

晚寒武世，大气二氧化碳浓度异常，可达现代大气水平的15-20倍，温室气候下的海洋水体循环速率缓慢，易出现海水分层化、底水缺氧现象。进入奥陶纪，这一效应虽然得到缓解，但海洋的氧化相较于大气氧化，存在较大滞后性。张俊鹏解释说，”因此，中-晚奥陶世的海洋中，频繁出现的海洋缺氧现象，一直在影响海洋生物群落的繁盛。当这种影响严重时，表现为海洋生物多样性的大幅下降。“

“我们今天关注的‘全球变暖’和‘双碳战略’，即为控制温室气体如二氧化碳等的排放和存储，以保证其在地球表层圈层的动态平衡。”张俊鹏说，但更需要我们注意的不仅是正在升高的平均温度，还有地球打破气候稳态时出现的一系列气候、陆地、海洋的剧烈环境变化、伴随的地质灾害及其对生态系统的影响。