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臭氧層破壞導致二疊紀末陸地生物大滅絕的直接證據

2023.1.15

　　2.52億年前的二疊紀末大滅絕造成了約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。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“防曬霜”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，研究成果于1月6日在線發表于國際期刊《科學進展》(Science Advances)。

　　二疊紀末期的大滅絕事件是顯生宙最大一次滅絕事件。科學家們普遍認為二疊紀末期西伯利亞大火成巖省的噴發造成的全球溫室氣體增加、全球變暖以及海洋酸化可能是引起這次滅絕的主要誘因。但對于這些環境因素如何影響陸地生態系統到目前還有很多爭論。

　　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，推測這些畸形孢子或花粉可能是由西伯利亞大火成巖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。但通過對現代植物中產出的畸形孢子和花粉的研究表明，這些畸形花粉和孢子產生的環境背景十分復雜，干旱、空氣污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，所以單憑在陸相二疊-三疊紀過渡剖面發現的少量畸形孢子和花粉并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。

　　植物體需要陽光進行光合作用，為植物體生長提供能量，但又要避免陽光中有害的紫外線對植物體特別是植物生殖細胞（孢子和花粉）中遺傳信息的破壞。為了適應陸地輻射環境，陸生植物演化出了一些調控機制，以減少紫外線對植物體的傷害。在植物體的生殖細胞中這種機制表現為植物的孢子和花粉的外壁中含有大量功能與“防曬霜”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。

　　現代植物學家已經觀察到植物體可以根據周圍的紫外線輻射環境，自動調節其生殖細胞外壁“防曬霜”的含量，同時這些“防曬霜”可以在惰性的孢子和花粉外壁中保存很長時間。因此,理論上可以通過對這些孢子和花粉中“防曬霜”含量的測定反推地質歷史時期大氣紫外線輻射強度。

　　南京古生物所研究團隊等運用傅里葉變化紅外光譜，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，通過對這些花粉產出的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后化石花粉中該化合物的含量。這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，研究團隊也對剖面地層的有機碳同位素和汞的濃度進行了分析，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，進步確認二疊紀末期全球紫外線輻射的增加可能是由于當時劇烈的火山活動引起的。

　　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。由于紫外線不僅對植物的生殖細胞具有很強的殺傷作用，同時也會對植物體葉肉細胞造成破壞。為了抵御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、香豆酸和阿魏酸等，相應減少葉綠素的合成，從而導致植物體光合作用的減弱，進而使得植物體對于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，葉肉中的葉黃素、香豆酸和阿魏酸等對于食草動物以及昆蟲來說是一種很難消化且營養價值較低的化合物，所以紫外線輻射的增加間接影響了陸地食物鏈，可能是導致二疊紀末陸地食草動物以及昆蟲大滅絕的主要原因。

　　該研究得到國家自然科學基金委、第二次青藏高原科學考察與研究、中科院戰略性先導科技專項（B類）、德國研究基金會、自然環境研究委員會和人類前沿科學計劃的資助。

臭氧層二疊紀大滅絕

南京地質古生物研究所

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