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微生物的爆发性增长或是第三次生物大灭绝的主要原因

收藏 打印 发给朋友 来源: 中国化石网 网站编辑:杨毅
热度339票 浏览943次 时间:2014年4月15日 10:18

(中国化石网)据中国社会科学网(褚国飞/编译):美国麻省理工学院(MIT)地质物质学家丹尼尔·罗斯曼(Daniel Rothman)的研究小组就距今2.5亿年前的美国麻省理工学院起因提供了新证据。近日,罗斯曼、格雷戈瑞·方尼特(Gregory Fournier)和其他5名美国麻省理工学院、中国科学院南京地质古生物研究所研究人员在美国《国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Science, PNAS)共同发表文章,认为微生物的突然性、爆发性增长是第三次生物灭绝的主要原因。

第三次生物灭绝发生在距今2.5亿年前的二叠纪末期,其原因科学界至今未有定论。罗斯曼小组提出的新观点是,通过对来自海洋沉积物的分析数据表明产甲烷菌是罪魁祸首。这种微生物在海洋中爆炸喷发,导致大量甲烷进入大气,迅速改变了海洋气候和海洋构成。

研究发现,该时期开始存在大量有机物,但缺乏能消化它们的物种。海洋生物进化过程中出现了甲烷八叠球菌属的古生菌,能消耗有机物并产生乙酸和甲烷,但当时没有物种能处理乙酸。小组成员之一、MIT博士后方尼特通过对比50种不同物种的乙酸代谢基因,判断这种基因出现在2.5亿年前,时间正好吻合。他认为,这一进化使甲烷菌大量繁殖,导致甲烷大量产生。甲烷是一种温室气体,进入大气层导致地球气温剧烈上升。罗斯曼利用碳同位素技术分析了这些沉积物质形成时间,认为甲烷菌大量繁殖是导致当时地球气温增加,海水酸化的原因,并最终导致第三次地球生物大灭绝。

罗斯曼也表示,没有单一证据能全部解释大灭绝发生的原因。微生物突发性大增长也不是唯一因素。该论文编辑、伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)研究员海思(John Hayes)对该发现给予很高评价,认为这是物理学、生物化学和地质学跨学科研究的典范。研究小组跨学科密切合作,以一种更全面的多学科视角,为人们理解这次大灭绝增加了重要细节。

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大量甲烷的爆发造成了气温的突然急剧上升以及海水的酸化;这与当今全球气候变化模型所预测的类似。在二迭纪末的大灭绝时期,几乎所有贝壳类海洋生物都灭绝了,这与贝壳不能在酸性水域中形成的观察结论是一致的。(图片来源:ryooota / Fotolia)

(中国化石网)据环球科学(翻译:邰伦玥):化石表明,大约在2.52亿年前的某个时候,地球上90%的物种突然都灭绝了。

这是到目前为止,地球上已知的五次物种大灭绝中最大的一次。虽然导致这场浩劫的“幕后元凶”在全球各地都留下了犯罪证据,但要确定造成大灭绝的罪魁祸首是谁,却一直十分困难的,并且饱受争议。

目前,美国麻省理工学院(MIT)的研究人员可能已经找到了足够的证据,确定了真凶——不过,你需要一把显微镜才能看到凶手。

这项新的研究表明,凶手并不是之前被怀疑过的陨石坠落、火山爆发、或者严重的煤矿火灾,而是一种微生物,准确的说,是一种名为甲烷八叠球菌属(Methanosarcina),能够产生甲烷的古生菌。这种微生物在海洋中突然大规模繁殖,向大气中排放了惊人的甲烷量,迅速地改变了气候和海洋的化学成分。

根据这一新的背景知识,火山爆发也并非完全与此次大灭绝无关。它们充当了这项“罪行”的从犯。新的证据显示,微生物突然爆炸性增长的原因可能是,它们拥有与众不同的本领,能够利用有机碳元素这一丰富资源,加上当时大规模的火山活动喷发出的大量镍元素,为其生长提供了丰富的营养。

这项新发现由麻省理工学院的地球物理学教授Daniel Rothman、博士后Gregory Fournier和其他五位麻省理工学院以及在中国的研究人员共同完成,发布在本周的《美国国家科学院学报》(Proceedings of the National Academy)上。

研究人员的结论基于三方面独立的证据。首先,地球化学证据显示,在所谓的二叠纪灭绝期,海洋里的二氧化碳量呈指数型增加(或者更快)。第二,遗传学证据显示,当时,甲烷八叠球菌属产生了一种变异,使其能在水中收集二氧化碳,生产甲烷。第三,地质学沉积物中显示,镍元素的含量恰恰在这一时期突然增加。

碳沉积现象表明,有某些东西引起了大规模灭绝时含碳气体(二氧化碳或甲烷)排放量的显著上升。一些研究人员认为,火山的爆发形成了西伯利亚暗色岩(Siberian traps),这些气体可能就是由那次火山爆发产生的。西伯利亚暗色岩是由地质学记录上范围最广的一次火山爆发形成的。但根据麻省理工学院研究小组的计算,火山喷发的原因都远远不够解释沉积物中的碳含量的剧增。更重要的是,所观察到的碳元素随时间的变化规律与火山模型并不吻合。

“由火山快速释放的二氧化碳量初期会迅速增加,而后期将逐渐减少。”Fournier解释道,“然而,我们看到的情况正好相反——二氧化碳含量保持了不间断的快速增长。“这显示了微生物的迅速扩张。”他补充道: 能够使碳产量成倍、甚至更快增长的现象为数不多,微生物种群的增长就是其中之一。

但如果有生物体会释放那么多甲烷,那么它们是什么生物?当时是什么促使了它们会这样?

这些问题就有待基因组的分析来解决了:事实表明,通过与另一种微生物的基因转移,甲烷八叠球菌属习得了一种迅速制造甲烷的方法。研究团队对于这种生物历史的详细记录表明,这次基因转移发生在二迭纪末的大灭绝时期。(先前的研究只把这次事件模糊地标定在过去的4亿年里)。在适当的条件下,新获得的基因帮助微生物迅速繁殖,急剧消耗海洋沉积物中大量储备的有机碳化合物。

但最后还有一个问题:如果这些微生物没有足够的矿物营养支持,它们就不能如此大规模繁殖。对于这种特定的微生物来说,限制其繁殖的营养物质是镍。中国最新的对沉积物的分析显示,镍元素在西伯利亚火山喷发后急剧增加(几个世界上最大的镍矿就是因为这次火山喷发而形成的)。这为甲烷八叠球菌属的爆炸性增长提供了推动剂。

作为结果,大量甲烷的爆发造成了气温的突然急剧上升以及海水的酸化;这与当今全球气候变化模型所预测的类似。在二迭纪末的大灭绝时期,几乎所有贝壳类海洋生物都灭绝了,这与贝壳不能在酸性水域中形成的观察结论是一致的。

“很多结论都是由碳同位素分析得出的。”Rothman说道。在地质学记录的这个部分,同位素分析是非常有力和明确的。“如果不是这样一个不寻常的信号,我们将难以排除其他的可能性。”

虽然任何单一的证据都无法证明远古的大灭绝时期到底发生了什么,不过,麻省理工学院的洛伦兹中心(MIT's Lorenz Center)的主任Rothman说道,“所有这些证据串联起来,比任何一个单独证据具有说服力得多。”虽然不能百分之百确定是微生物造成了物种大灭绝,但确实排除了一些其他的假说,并且让这个解释更加有说服力、有逻辑性。

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