奥陶纪生物大辐射后物种多样性锐减，诱因找到了

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。

记者今天（10月18日）从中国科学院南京地质古生物所（南古所）获悉，科研人员近期发现，奥陶纪气候变冷期海洋底层缺氧水体扩张，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》上。

奥陶纪海底面貌图。引自：方翔等（2022）

奥陶纪生物大辐射后出现转折，原因成谜

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”。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了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℃至30℃，与现代赤道气候十分接近。因此，处于低纬度地区的大陆架成为适宜生物繁衍的环境。在奥陶纪保存下来的沉积岩中，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，这一现象被称为“奥陶纪生物大辐射”。“最新的高分辨率生物多样性曲线表明，华南的物种多样性在生物大辐射峰值之后出现近50%的降低，这一发现近期引起地质学家的重视。”中科院南古所张俊鹏博士(600804)说。

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。然而，多样性峰值之后的转折及其环境背景机制，却一直未被深入研究。

缺氧海水扩张入侵浅水环境，破坏生态系统

最近，中国科学院南古所科研人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。

张俊鹏说，来自于我国华南地区中-上奥陶统黑色页岩（奥陶纪形成的地层分下、中、上三个统）是支持这种观点的最新证据。

这些黑色页岩都形成于中低纬度近海盆地。和现代海洋一样，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。“这会刺激表层海水生产力增高，也就是海洋表层的藻类、光合细菌等初级生产者进行光合作用固碳的总量增高，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。”

这些缺氧海水，尤其是硫化氢和重金属富集的海水，会因此发生扩张，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。

张俊鹏称，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海洋透光层的现象。

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、水底缺氧现象。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。因此，中-晚奥陶世的海洋中，频繁出现的缺氧现象，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。

当下大家关注的“全球变暖”和“双碳战略”，即为控制二氧化碳等温室气体的排放，以保证其在地球表层圈层的动态平衡。“但更需要我们注意的，不是正在升高的平均温度，而是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，以及随之而来的地质灾害及其对生态系统的影响。”张俊鹏说。

新京报记者 张璐

编辑 刘梦婕 校对 刘军