臭氧层破坏导致生物大灭绝的直接证据被发现

  本报南京1月7日凌晨电（记者苏雁 通讯员姬尊雨）距今2.52亿年前的二叠纪末大灭绝事件是显生宙最大一次灭绝事件，造成了约81%的海洋物种和89%的陆地物种灭绝。其主要原因被认为是大规模火山喷发导致的环境变化，但仍缺乏环境因素影响陆地生态系统的直接证据。近日，中国科学院南京地质古生物研究所研究员刘锋与英国、德国同行等合作，通过研究该时期化石花粉粒中“防晒霜”含量的变化，发现臭氧层破坏导致二叠纪末陆地生物大灭绝的直接证据，研究成果于1月6日在线发表于国际学术期刊《科学进展》。

  科学家普遍认为二叠纪末期西伯利亚大火成岩省的喷发造成的全球温室气体增加、全球变暖及海洋酸化可能是引起大灭绝的主要诱因。这些环境因素是如何影响陆地生态系统的？目前仍有很多争论。

  一些孢粉学家在陆相二叠—三叠纪过渡剖面发现了一些畸形孢子和花粉，推测这可能是由西伯利亚大火成岩省喷出的卤族元素造成的全球臭氧层破坏诱发的紫外线辐射增加引起的。但对现代植物中产出的畸形孢子和花粉的研究表明，干旱、空气污染以及植物体的外伤都有可能诱发植物体产生畸形孢子或花粉。仅凭在陆相二叠—三叠纪过渡剖面发现的少量畸形孢子和花粉并不能直接证明二叠纪末期大灭绝期间存在全球臭氧层空洞引起的紫外线辐射增加。

  如何测定反推地质历史时期大气紫外线辐射强度成了研究的突破点。光合作用可以为植物体生长提供能量，但阳光中有害的紫外线会对植物生殖细胞（孢子和花粉）中遗传信息产生破坏。为适应陆地辐射环境，植物体的生殖细胞演化出了调控机制。植物的孢子和花粉的外壁中含有大量功能与“防晒霜”十分相似的化合物（香豆酸和阿魏酸），这些化合物可形成共振稳定的酚自由基，抵抗紫外线引起的氧化作用，从而保护脆弱的孢子和花粉，为陆生植物的传播和繁衍提供了保障。现代植物学家观察到植物体会根据周围紫外线辐射环境自动调节其生殖细胞外壁“防晒霜”含量，且“防晒霜”能够在惰性的孢子和花粉外壁中保存很长时间。

  研究团队认为，理论上可以通过“防晒霜”在孢子、花粉中的含量测定反推地质历史时期大气紫外线辐射强度。这也是该研究方法第一次用于现代花粉研究之外的用途。

  研究团队运用傅里叶变换红外光谱，对产自我国西藏南部二叠—三叠纪过渡剖面的1011粒阿里型花粉中的香豆酸和阿魏酸进行了定量测量，通过对红外光谱的大数据分析，发现在二叠纪末大灭绝期间地层中花粉外壁的香豆酸和阿魏酸含量明显高于灭绝前后化石花粉中该化合物的含量，直接证明了二叠纪末期大灭绝期间存在全球紫外线辐射增加的现象。同时，通过对剖面地层的有机碳同位素和汞的浓度进行分析，发现这两个指标的异常波动与化石花粉中出现大量香豆酸和阿魏酸的层位基本相当，进一步确认了研究结论。

  空气中紫外线辐射量的增加对整个陆地生态系统具有深远的影响。为了抵御紫外线对叶肉细胞的破坏，植物体会在其叶片中大量合成叶黄素等，相应减少叶绿素的合成，导致植物体光合作用的减弱，进而使得植物体对温室气体吸收能力减弱，进一步加重了二叠纪末期火山喷发引起的全球温室气体增加。另外，叶黄素等对草食动物和昆虫来说难以消化、营养价值较低，紫外线辐射的增加由此间接影响了陆地食物链，可能是导致二叠纪末陆地草食动物以及昆虫大灭绝的主要原因。

  “植物的光合作用是全球最大的减碳、固碳过程，而这一过程很容易受到紫外线强度增加的抑制。二叠纪末期的陆地上的大灭绝其实是温室气体增加和紫外线辐射增强相互叠加引起的。如今地球上温室气体仍在不断增加，我们需要注意紫外线辐射强度，避免两者叠加，造成生态灾难。”刘锋告诉记者。