地球晚古生代大冰期的幕后推手

黃增強(qiáng)

最近，一項(xiàng)由中、英、德、美等國家古生物學(xué)家共同發(fā)布的最新研究成果表明，地球晚古生代發(fā)生的大冰期，是種子植物大規(guī)模繁盛導(dǎo)致的。此項(xiàng)研究成果發(fā)布后，即刻引起了古生物愛好者們的極大興趣和廣泛關(guān)注。

我們知道，地球是人類生命的發(fā)源地，也是人類賴以生存和發(fā)展的行星。地球從無生命到最后創(chuàng)造了人類，并發(fā)展到今天的文明社會(huì)，經(jīng)過了40多億年的漫長歲月。這段漫長的歲月可劃分為太古代、遠(yuǎn)古代、古生代、中生代和新生代五個(gè)“代”。

太古代，約開始于46億年前，結(jié)束于24億年前。這時(shí)，地球剛形成，沒有陸地，一片汪洋。遠(yuǎn)古代，距今24億年至6億年前，此時(shí)的地球雖然被海洋掩蓋著，但出現(xiàn)了海生藻類和海洋無脊椎動(dòng)物。古生代，距今6億年至2.5億年，是亞歐大陸的七大板塊基本形成的時(shí)期。這時(shí)，海洋中出現(xiàn)了幾千種動(dòng)物，海洋無脊椎動(dòng)物空前繁盛。兩棲類也出現(xiàn)了，北半球陸地上出現(xiàn)了蕨類植物，有的高達(dá)30多米，這些高大茂密的森林，后來變成了大片的煤田。中生代，距今2.5億年至0.7億年。這一時(shí)期是爬行動(dòng)物的時(shí)代，恐龍稱霸一時(shí)，也出現(xiàn)了原始的哺乳動(dòng)物和鳥類，蕨類植物日趨衰落，被裸子植物所取代。新生代時(shí)期，是地球歷史上最新的一個(gè)地質(zhì)時(shí)代，時(shí)間最短，距今只有7000萬年左右，這個(gè)時(shí)期以哺乳動(dòng)物和被子植物的高度繁盛為特征。新生代被子植物大發(fā)展，各種食草、食肉的哺乳動(dòng)物空前繁盛。自然界生物的大發(fā)展，最終導(dǎo)致人類的出現(xiàn)，古猿逐漸演化成現(xiàn)代人。

在地球的40多億年的歷史中，由于氣候變化無常，暖和冷總是交替出現(xiàn)，地球曾多次發(fā)生過寒冷的冰期。所謂冰期，是指具有強(qiáng)烈冰川作用的地史時(shí)期。廣義的冰期又稱大冰期，是指地球上氣候寒冷，極地冰蓋增厚、廣布，中、低緯度地區(qū)有時(shí)也有強(qiáng)烈冰川作用的地質(zhì)時(shí)期。大冰期中，氣候較寒冷的時(shí)期稱冰期，較溫暖的時(shí)期稱間冰期。大冰期、冰期和間冰期都是依據(jù)氣候劃分的地質(zhì)時(shí)間單位。

在地球的歷史上，一共發(fā)生過三次大冰期，分別是距今6億年前的震旦紀(jì)大冰期、距今2.5億年前的石炭二疊紀(jì)大冰期和距今200萬年前開始的第四紀(jì)大冰期。三次大冰期中，晚古生代大冰期發(fā)生了顯生宙以來持續(xù)時(shí)間最長、規(guī)模最大的成冰事件。究竟是什么原因?qū)е铝诉@一時(shí)期全球古海洋、古氣候、古生態(tài)發(fā)生顯著變化呢？現(xiàn)代科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，從大約3.5億年至2.7億年前的這段時(shí)期，地球經(jīng)歷了一場(chǎng)可怕的從溫室到“大冰窖”的演變，時(shí)間達(dá)到了8000萬年之久。當(dāng)時(shí)，整個(gè)地球都被牢牢凍住了，即使是在赤道地區(qū)，也有屬于這個(gè)時(shí)期的冰川作用遺跡。研究者將這段時(shí)期，稱作晚古生代大冰期。

關(guān)于晚古生代大冰期的成因，一直都沒有答案。雖然有人認(rèn)為，維管植物，特別是種子植物的登陸和大規(guī)模繁盛是觸發(fā)全球變冷與晚古生代冰期成冰事件的重要原因，但長期缺乏證據(jù)揭示它們之間的直接因果聯(lián)系。

近日，來自中國、美國、德國等多個(gè)國家的地學(xué)科學(xué)家們聯(lián)合進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，造成晚古生代大冰期的原因，竟然與種子植物有關(guān)。那么，什么是種子植物？其特征是什么？種子植物又叫顯花植物，它分布于世界各地，是植物界最高等的類群，其特征是所有的種子植物體內(nèi)有維管組織——韌皮部和木質(zhì)部、能產(chǎn)生種子并用種子繁殖。

除此之外，我國中科院南京地質(zhì)古生物研究所副研究員陳波帶領(lǐng)陳吉濤、郄文昆、黃璞等研究員，對(duì)華南和越南等地5條早石炭亞紀(jì)剖面開展詳細(xì)的碳、鍶、氧同位素分析，也系統(tǒng)地梳理了晚泥盆世—早石炭亞紀(jì)早期全球種子植物屬一級(jí)多樣性和其地理分布變化。石炭紀(jì)杜內(nèi)期的古海洋環(huán)境變化和其與種子植物的演化關(guān)系研究表明，種子植物大規(guī)模繁盛是導(dǎo)致地球晚古生代大冰期形成的直接原因。

中科院南京地質(zhì)古生物研究所科研團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，海水的鍶同位素比值在杜內(nèi)期中期開始下降，并伴隨著碳酸鹽碳同位素值和牙形刺氧同位素值的增加，這三個(gè)同位素體系的耦合變化正對(duì)應(yīng)種子植物早期演化階段中最重要的一次輻射事件。此次事件中，種子植物以多樣性的快速增加和分布范圍的顯著擴(kuò)張為特征。由于種子植物在這一時(shí)期加速擴(kuò)張，使得磷等陸源營養(yǎng)物質(zhì)輸入海洋，促進(jìn)了全球海洋生產(chǎn)力提升和有機(jī)碳埋藏。而硅酸鹽風(fēng)化和有機(jī)碳的埋藏會(huì)大量消耗大氣中的二氧化碳，最終導(dǎo)致氣候變冷。

中科院南京地質(zhì)古生物研究所科研團(tuán)隊(duì)還原出的大冰期發(fā)生經(jīng)過，顯示大冰期發(fā)生前，種子植物的生長范圍從中低緯度地區(qū)迅速擴(kuò)展至高緯度地區(qū)。植物的大量生長和擴(kuò)張，從兩個(gè)方面影響了大氣中的二氧化碳含量。一方面，植物繁盛加速了巖石風(fēng)化，風(fēng)化使得硅酸鹽和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，形成碳酸鹽沉積在海底;另一方面，植物的光合作用會(huì)固定二氧化碳，形成有機(jī)質(zhì)埋藏下來。這兩種過程都會(huì)大量消耗空氣中的二氧化碳，最終導(dǎo)致氣候變冷。

原來，種子植物大規(guī)模繁盛才是導(dǎo)致大冰期的幕后推手。這一發(fā)現(xiàn)為應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來的氣候變化提供了重要參考，也對(duì)進(jìn)一步理解陸地生態(tài)系統(tǒng)的興起，及其在塑造全球氣候中所扮演的角色具有重要意義。