如果撞擊不是造成這些大滅絕的原因，那么究竟是什么導(dǎo)致了生物的大規(guī)模死亡呢？新一類證據(jù)表明，地球本身就可以消滅棲息在它上面的生物，而且這樣的慘劇可能已經(jīng)發(fā)生過了。
哲學(xué)家兼歷史學(xué)家托馬斯•S•庫恩(Thomas S. Kuhn)曾經(jīng)指出，科學(xué)秩序很像有機(jī)生物體：它們并不是緩慢而連續(xù)地進(jìn)化，而是在很長一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定，然后被罕見的突然變革打斷——對生物體來說，這種變革就是新物種的出現(xiàn)；對科學(xué)而言，變革則是新理論的提出。這種描述特別適合我的研究領(lǐng)域——生物大滅絕的原因與結(jié)果。生物大滅絕就是生物界的周期性劇變——地球上大部分生命消失，此后再也沒有出現(xiàn)過任何相同的生物。
200多年前，人們首次認(rèn)識到歷史上發(fā)生過生物大滅絕事件。古生物學(xué)家曾經(jīng)相信，生物大滅絕是一個逐漸發(fā)生的過程，是氣候變化和捕食、競爭及疾病等生物因素綜合作用的結(jié)果。但是，對生物大滅絕的理解在1980年經(jīng)歷了一場“庫恩式”革命：那一年，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的地質(zhì)學(xué)家沃爾特•阿爾瓦雷斯(Walter Alvarez)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組指出，著名的恐龍滅絕事件是在6,500萬年前的一場生態(tài)災(zāi)難中迅速發(fā)生的，當(dāng)時一顆小行星撞擊了地球，引發(fā)了這場大災(zāi)難。隨后20年間，人們廣泛接受了來自太空的火流星(bolide)可以重創(chuàng)地球上大部分生命的觀點(diǎn)；許多研究人員最終認(rèn)為，在5次最大規(guī)模的生物滅絕事件中，至少有3次可能是宇宙碎石造成的。隨著《天地大沖撞》(Deep Impact)和《世界末日》(Armageddon)等好萊塢災(zāi)難大片的上映，公眾明確地接受了這種觀點(diǎn)。
現(xiàn)在，對生命斷續(xù)歷史的認(rèn)識正醞釀著另一場轉(zhuǎn)變。新的地質(zhì)化學(xué)證據(jù)正從大量巖層中涌現(xiàn)出來，它們記錄著生物大滅絕的真相?？茖W(xué)家在那里發(fā)現(xiàn)了激動人心的化學(xué)殘余——這些被稱為有機(jī)生物標(biāo)記(organic biomarker)的證據(jù)，是由通常無法留下化石的微小生命形式產(chǎn)生的。這些資料清晰地揭示，在造成生物大滅絕的原因之中，災(zāi)難性小行星撞擊只是特例，而不是普遍規(guī)則。大多數(shù)情況下，地球本身似乎以人們不曾想像的方式成為生命的宿敵。目前，人類活動可能正再度把生物圈(biosphere)置于危險之中。
●小行星撞擊地球？
20多年來，科學(xué)家們一直認(rèn)為，小行星撞擊地球?qū)е铝艘话胍陨系纳锎鬁缃^事件，種種發(fā)現(xiàn)似乎也支持這一觀點(diǎn)。事實(shí)果真如此嗎？
為了理解人們對小行星撞擊模式的普遍熱情，回顧一下燃起這種熱情的證據(jù)當(dāng)然十分有益。撞擊模式由阿爾瓦雷斯本人、他的父親物理學(xué)家路易•W•阿爾瓦雷斯(Luis W. Alvarez)以及兩位核化學(xué)家——海倫•V•米歇爾(Helen V. Michel)和弗蘭克•阿薩羅(Frank Asaro)共同提出，它包括兩個不同的假設(shè)：首先，一顆直徑約為10千米的小行星，在6,500萬年前撞擊了地球；其次，撞擊產(chǎn)生了嚴(yán)重的后果，使一半以上的物種灰飛煙滅。他們在厚厚的銥層中發(fā)現(xiàn)了那場撞擊留下的痕跡：含銥的塵埃當(dāng)時撒滿了地球——這種元素在地球上頗為稀少，但在地外物質(zhì)中卻比較常見。
這個驚人觀點(diǎn)發(fā)表不到10年，人們就發(fā)現(xiàn)了撞擊災(zāi)難的直接證據(jù)——“奇科蘇盧布”隕石坑(Chicxulub crater)，它就隱藏在墨西哥的尤卡坦半島。這一發(fā)現(xiàn)消除了長久以來的疑問，為恐龍王國是否毀于一場天地大沖撞給出了肯定的答案。同時，它又對其他生物大滅絕事件提出了新的疑問：如果這次滅絕是由撞擊引起的，那么其他幾次又怎樣呢？過去5億年間，發(fā)生了5次讓大多數(shù)地球生命形式徹底消失的事件：第一次發(fā)生在奧陶紀(jì)(Ordovician)末期，距今約4.43億年；第二次發(fā)生在3.74億年前，接近泥盆紀(jì)(Devonian)末期；規(guī)模最大的一次則發(fā)生在二迭紀(jì)(Permian)末期，距今2.51億年，當(dāng)時90%的海洋生物和70%的陸地動植物(甚至昆蟲)都?xì)в谝坏參見《科學(xué)美國人》1996年7月號道格拉斯•H•歐文所著《生物大滅絕的起源》一文]；三迭紀(jì)(Triassic)末期，全球性生物滅絕的慘劇再次上演，距今2.01億年；最后一次生物大滅絕發(fā)生在6,500萬年前，也就是前面提到的、發(fā)生在白堊紀(jì)(Cretaceous)末期的那場天地大沖撞。
20世紀(jì)90年代初期，古生物學(xué)家戴維•勞普(David Raup)發(fā)表了著作——《生物滅絕：壞基因還是壞運(yùn)氣？》(Extinctions: Bad Genes or Bad Luck?)。他在書中大膽預(yù)測，人們最終可能會發(fā)現(xiàn)，撞擊是所有生物大滅絕和其他毀滅性稍弱的生物滅絕事件的罪魁禍?zhǔn)?。在白堊紀(jì)和第三紀(jì)之間的地質(zhì)界線(K/T界線，白堊紀(jì)和第三紀(jì)的交界稱作“K/T”，所以這條地質(zhì)界線就是“K/T界線”)中找到的撞擊證據(jù)，當(dāng)然很有說服力：“奇科蘇盧布”隕石坑、清晰的銥層以及撞擊碎片(包括受到撞擊壓力沖擊散落到世界各地的石塊)，無不證明了撞擊事件的發(fā)生。古代沉積物中還有更多的化學(xué)線索，它們記錄了地球大氣成分及氣候隨后發(fā)生的迅速變化。
對其他幾個生物滅絕時期而言，證據(jù)也似乎指向“天上”。20世紀(jì)70年代初期，地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)將一層薄薄的銥層與泥盆紀(jì)末期的生物滅絕聯(lián)系了起來。到了2002年，其他發(fā)現(xiàn)揭示了三迭紀(jì)末期和二迭紀(jì)末期發(fā)生的撞擊。三迭紀(jì)地質(zhì)層中也找到了微量的銥元素。對于二迭紀(jì)而言，人們認(rèn)為，獨(dú)特的“碳籠”分子(buckyball)包含了捕獲的地外氣體，這又增添了一條令人激動的線索[參見《科學(xué)美國人》2002年3月號魯安•貝克爾所著《重復(fù)撞擊》一文]。因此，許多科學(xué)家開始推測，在5次生物大滅絕中，有4次是由小行星或彗星撞擊地球引起的。唯一的例外是奧陶紀(jì)末期的生物大滅絕，科學(xué)家已經(jīng)斷定，這一事件是我們鄰近宇宙中的一顆恒星發(fā)生爆炸所產(chǎn)生的致命輻射的結(jié)果。
然而近年來，隨著研究人員繼續(xù)探尋挖掘資料，他們發(fā)現(xiàn)一些現(xiàn)象無法解釋。新的化石分析指明，二迭紀(jì)和三迭紀(jì)的生物大滅絕是個漫長的過程，歷時數(shù)十萬年。新近獲得的、有關(guān)大氣碳含量水平升降(即碳循環(huán))的證據(jù)似乎也表明，生物圈遭受了一系列長期的環(huán)境惡化，而不是一次性撞擊帶來的突發(fā)性災(zāi)變。
●突然死亡，還是緩慢消亡？
如果造成生物大滅絕的真兇不是突然撞擊地球的小行星，那么究竟會是什么呢？種種新發(fā)現(xiàn)的證據(jù)表明，真兇很可能就是地球本身！
K/T界線事件的啟示在于，大型天體撞擊就像一場把城市夷為平地的強(qiáng)烈地震：毀滅性災(zāi)難突如其來、倏忽即逝——地震過后，城市很快就得以重建。K/T界線滅絕事件的碳同位素數(shù)據(jù)和化石記錄，都反映了毀滅和隨后的恢復(fù)速度，不過科學(xué)界頗費(fèi)了一番功夫，才證明了災(zāi)難之后的恢復(fù)速度。從鈣質(zhì)和硅質(zhì)浮游生物以及植物孢子的化石上，也就是在那些體積最小而數(shù)量又最多的化石中，的確可以明顯地看到，K/T界線上的生物如預(yù)期的一樣，出現(xiàn)了突然消亡殆盡的現(xiàn)象。但是，一個種群中的化石越大，滅絕的步伐似乎就越平緩。
古生物學(xué)家逐漸認(rèn)識到，他們研究的大多數(shù)土壤和巖石層缺乏大型化石樣本，影響了他們從中得出的生物滅絕模式。為了解決采樣不完善帶來的問題，也為了描繪一幅更清晰的生物滅絕進(jìn)程圖景，美國哈佛大學(xué)的古生物學(xué)家查爾斯•馬歇爾(Charles Marshall)提出了一種新的統(tǒng)計方法，用來分析化石的分布。通過確定一個特定物種在給定時間內(nèi)的滅絕概率，使用這種分析方法，即使是非常稀有的化石，也能解讀出最多的信息。
1996年，我和馬歇爾聯(lián)手在K/T界線地層剖面測試了他的統(tǒng)計方法。我們最終證明，那些過去看起來像是逐漸滅絕的、數(shù)量最豐富的較大型海洋動物——?dú)W洲的菊石(ammonite，與具有殼室的鸚鵡螺有親緣關(guān)系的軟體動物化石)其實(shí)是在K/T界線突然消失的，而不是連貫的。但是，當(dāng)幾位研究人員(也包括我自己)將新方法應(yīng)用到更早的生物滅絕事件中時，得出的結(jié)果卻大相徑庭。我的小組研究了代表二迭紀(jì)和三迭紀(jì)最晚期的海相和非海相環(huán)境的地質(zhì)層，結(jié)果表明，集中在這些地質(zhì)界線附近發(fā)生的，是一系列消亡過程更加平緩的生物滅絕序列。
這種滅絕模式還在碳同位素記錄中得到了印證。碳同位素記錄是瞭解生物滅絕速率的又一種強(qiáng)有力的工具。碳原子有3種同位素，原子核中的中子數(shù)量略有不同。許多人都熟悉其中一種同位素——碳14，因?yàn)槿藗兂Ｓ盟乃プ儊頊y定特定化石骨骼或古沉積物樣本的年代。不過，地質(zhì)記錄中可以找到一種更加有用的信息，來解釋生物大滅絕事件，那就是碳12和碳13的同位素比例，它有助于人們更全面地認(rèn)識當(dāng)時的植物生命力。
原因在于，光合作用(photosynthesis)在很大程度上決定了碳12/碳13比例的變化。植物利用太陽的能量把二氧化碳分解為有機(jī)碳，又利用有機(jī)碳來構(gòu)造細(xì)胞，為自身提供能量——對于我們動物來說，這是值得高興的事情，因?yàn)橛坞x氧是光合作用的副產(chǎn)物。但是，植物是挑剔的，它們優(yōu)先選擇含碳12的二氧化碳。因此，無論是營光合作用的微生物、浮游的藻類，還是高大樹木，當(dāng)這些植物生命力旺盛、數(shù)量眾多的時候，留在大氣中的二氧化碳就包含了比例更高的碳13，而大氣中的碳12則會明顯減少。
通過檢測生物大滅絕之前、之中和之后的碳同位素比例，研究人員可以得到海洋和陸地植物形體總量的可靠指標(biāo)。研究人員把K/T界線滅絕事件的碳同位素比例繪制成圖，一種簡單的模式就呈現(xiàn)在我們面前。碳同位素比例的改變與所謂的撞擊層(包括許多礦物碎片證據(jù)的地質(zhì)層)幾乎同時出現(xiàn)：短時間內(nèi)，碳13急劇下降。這個結(jié)果表明，當(dāng)時的植物突然間幾乎消亡殆盡，后來又迅速恢復(fù)。這個發(fā)現(xiàn)與較大的陸地植物和海洋微型浮游生物的化石記錄完全一致，這些生物在K/T界線滅絕事件中損失驚人，但很快得以恢復(fù)。
我的小組在2005年初揭露的二迭紀(jì)碳記錄，以及最近揭露的三迭紀(jì)碳記錄無不證明，在那兩次生物大滅絕事件中，植物和浮游生物經(jīng)歷了一段與K/T界線滅絕截然不同的命運(yùn)。在那兩次滅絕事件中，同位素比例在超過5萬年到10萬年的時間間隔內(nèi)，發(fā)生了不止一次的改變，這表明植物群落消失了，隨后得以恢復(fù)，結(jié)果又遭到一系列滅絕事件的一再打擊。要產(chǎn)生這種滅絕模式，可能需要在數(shù)千年的時間間隔內(nèi)，發(fā)生一連串的小行星撞擊事件才行。但是，沒有任何礦物學(xué)證據(jù)表明，在那兩個生物大滅絕時期內(nèi)，曾經(jīng)發(fā)生過一連串的小行星撞擊。
事實(shí)上，關(guān)于那兩個時期是否發(fā)生過撞擊事件，對證據(jù)的進(jìn)一步調(diào)查也已經(jīng)提出了疑問。在二迭紀(jì)末期的地質(zhì)界線中，其他任何研究小組都沒能再次發(fā)現(xiàn)包含著地外氣體的碳籠。有關(guān)在那個時期的地層中發(fā)現(xiàn)受到?jīng)_擊的石英礦物的消息，也已經(jīng)宣布取消。至于人們推測的、位于澳大利亞附近深海和南極冰層下面的“隕石坑”，它們究竟是真正的隕石坑，還是僅僅是自然巖層，地質(zhì)學(xué)家們也尚未定論。就三迭紀(jì)末期而言，地層中發(fā)現(xiàn)的銥濃度實(shí)在太低，它也許反映了一顆較小的小行星對地球的撞擊，但規(guī)模絕不可能引發(fā)K/T界線上出現(xiàn)的那種全球性生物滅絕事件。然而，如果撞擊不是造成這些大滅絕的原因，那么究竟是什么導(dǎo)致了生物的大規(guī)模死亡呢？新一類證據(jù)表明，地球本身就可以消滅棲息在它上面的生物，而且這樣的慘劇可能已經(jīng)發(fā)生過了。(來源：《環(huán)球科學(xué)》)
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