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                恐龍時代是由漫長的雨季開啟的嗎?
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                恐龍時代是由漫長的雨季開啟的嗎?

                2020年01月02日 22:11:17
                來源:大象公會

                2億3200萬年前,地球氣候曾在較長的一段時間內都處于溫暖潮濕的狀態下,這可能使地球上的生命形態產生了很大的改變。

                意大利多洛米蒂山的三疊紀巖石是地球歷史上有過一段出人意料的潮濕時期的明證。圖片來源:Arterra/Universal Images Group via Getty

                Alastair Ruffell孩提時代的家位于英國的薩默塞特郡,他注意到那里的巖石上有一些不同尋常的地方。那些來自三疊紀的沉積物有2億多年的歷史,大多呈暗橘紅色,這表明它們是在地表被烈日炙烤的時期形成的。至此,還沒有什么好奇怪的。但是,在薩默塞特Lipe Hill的露頭(地表基巖)上有一道貫穿紅色巖石正中央的灰色細條紋,這表示曾經有過一段干旱沙漠消失、整片地區變為沼澤濕地的時期。出于某種原因,極度干燥的氣候變得潮濕,并且持續了一百多萬年。

                Ruffell最早是在20世紀80年代中發現這些露頭并注意到氣候的改變的,雖然他對此很感興趣,但當時這位年輕的地質學家還有博士學位的項目需要完成,于是把這個“三疊紀之謎”拋到了腦后。直到1987年,機緣巧合之下,他遇到了同樣年輕的古生物學家Michael Simms。在博士后研究期間,Simms發現了在晚三疊世Ruffell注意到的神秘潮濕時期發生過滅絕的證據。80年代末,二人提出,他們的發現互相之間是有關聯的。但多年來,他們的研究成果一直被學界無視。

                三十年后,越來越多的人認識到他倆是正確的。晚三疊世的時候發生過一些怪事,而且不僅僅是在薩默塞特。在大約2億3200萬年前被稱作卡尼期(Carnian age)的地質時期里,幾乎到處都在下雨。地球在經歷了數百萬年的干燥氣候之后,迎來了一段持續100萬到200萬年的濕潤期。幾乎無論是在任何地方,只要是地質學家發現的來自那個時期的巖石,都留有潮濕天氣的跡象。這段所謂的卡尼多雨期,在時間上與一些大規模演化轉變的發生重合。

                也許最引人注目的一點是,卡尼多雨期可能與早期恐龍的演化有時間上的重疊,這個一開始還很罕見的爬行動物類群,在那段時期逐漸演化出多種多樣的形態,并開始主宰陸地生態系統。卡尼期或許為后來那些奪人眼球的恐龍類群(如劍龍與暴龍)的出現鋪平了道路。

                其它生物類群的形態在卡尼期開始與結束時也極為不同:造礁珊瑚和海洋浮游生物都變得更加“現代”,即在演化上更接近現存的類群。第一批哺乳動物甚至也可能是在這一時期內出現的?!斑@幾乎就像是某些元素在古老與現代世界之間的轉折點?!盨imms說道。

                在游離于主流學界視線之外多年以后,卡尼多雨期正成為一大研究焦點。2017年5月,科學家齊聚德國代爾門霍斯特的高等研究院,參加首個以該地質時期為主題的學術會議。在那之后,《倫敦地質學會志》(Journal of the Geological Society)以它為主題發布了兩份特刊。在過去的十年里,許多研究者開始了對卡尼期巖石的深入研究。他們想了解氣候發生變化的原因,以及這種變化為什么會導致如此劇烈的演化轉變。現有的證據指向了大規模的火山噴發。

                對于一件在80年代幾乎算是偶然發現的事件來說,這樣的轉折具有非凡的意義。

                無心插柳

                這一切的開端源于Simms前往英國利物浦大學從事博士后研究(他現在供職于霍利伍德的北愛爾蘭國家博物館)。他當時的研究對象是海百合:一類外觀與花或羽毛類似,演化上與海星接近的海洋動物。

                他關注的主要是生活在三疊紀(2億5200萬年到2億100萬年前)的海百合。這個地質時期處于地球歷史上兩個最為動蕩的時代之間:它始于二疊紀末期的大滅絕事件,終于三疊紀-侏羅紀之交的另一次大滅絕。

                但很快Simms就發現了一些意料之外的東西?!暗?987年年底的時候,我已經很清楚,三疊紀的海百合經歷過大規模滅絕?!彼f。但是海百合滅絕的發生時間要比三疊紀結束早數千萬年。因此,滅絕事件發生在卡尼期:三疊紀七個分期中的第五個。

                Simms對這個發現產生了興趣,于是他回到自己讀博的伯明翰大學做了訪問。在那里,使用他原來辦公室的人是Ruffell(現任職于貝爾法斯特女王大學)和古生物學家Paul Wignall。

                Ruffell的研究對象是年代更晚的白堊紀沉積物,但出于興趣愛好,他也研究被稱作麥西亞泥巖群(Mercia Mudstone Group)的三疊紀巖石。這些巖石反映的主要是干旱的氣候,但他在其中卡尼期的部分發現了一層薄薄的灰色砂巖。它們富含如鯊魚牙齒之類的化石,無疑是河流或三角洲的遺跡?!霸谀菬o休止的可怕干旱的夾縫中,很可能存在一個相當宜人的環境?!盧uffell說道。

                Simms在三人暢談之時,提到了卡尼期的海百合滅絕。根據他和Wignall的說法,Ruffell的回答是:“那是個多雨的時期。也許海百合不喜雨水?!盧uffell只是這么隨口一說,他本人都不記得了,但Simms對他的話產生了共鳴。氣候變化能夠引發滅絕,因此卡尼期的異變也可能有這個因素在里面。

                Simms和Ruffell開始了深入的調查研究,并在德國、美國、喜馬拉雅山及其它地區的卡尼期巖石上,都發現有證明潮濕時期存在的線索。除此之外,經歷滅絕事件的不僅僅是海百合:兩棲動物和陸生植物的物種數量也都減少了。1989年,二人把證據整合起來,報告了他們命名為卡尼多雨期1(Carnian pluvial episode, pluvial是表示雨的地質術語)的地質事件。

                除了一些批評者,他們的研究結果并沒有在學界掀起多少波瀾?!拔矣浀糜幸粌蓚€頗具資歷的研究者認為我們的觀點很荒謬?!盨imms說。

                1994年,一支由荷蘭烏特勒支大學的Henk Visscher領導的團隊發表了一篇措辭嚴厲的反駁。他們聲稱,盡管有部分地區可能在卡尼期變得多雨,但大部分環境仍然是干旱的2。Visscher的論點是,與其說雨量增加,Simms和Ruffell的數據也可以用“高地下水位”來解釋。

                看到自己的觀點不被學術界接受,兩個人改變了研究方向?!拔覀兙褪墙又プ銎渌鞣N各樣的事情?!盨imms說。他自己開始了地質學與古生物學的職業生涯,而Ruffell則成為了法庭地質學的專家。

                卡尼期的地球

                然而,卡尼多雨期這個概念并沒有銷聲匿跡。歐洲,特別是意大利的地質學家仍在繼續收集2億3200萬年前存在潮濕環境的證據。各種巧合開始匯聚到一起。

                晚三疊紀時候的“世界地圖”看上去和現在的沒有任何相似之處(詳見“變革之際”一圖)。當時所有的大陸塊體都連在一起,形成一個叫作泛大陸的“超級大陸”。泛大陸,尤其是它內陸地區,氣候炎熱而干燥。陸地生態系統的優勢物種是爬行動物(包括最早的恐龍),花草和鳥類都還沒有出現。

                來源:A. Ruffell, J. Dal Corso & M. Benton Geoscientist 28, 10–15 (2018).

                同樣,哺乳類也還沒有演化出來,但卡尼期對于它們來說可能就是個轉折點。2005年,加爾各答印度地質勘探局的P. M. Datta描述了一顆來自印度卡尼期巖石的哺乳動物牙齒3。而在德國卡尼期巖石里發現的另一顆牙齒可能也屬于哺乳動物4。

                哺乳類的起源是一個極具爭議的話題。現就職于英國利茲大學的Wignall認為,它們可能是在卡尼期出現的,但也不排除有更早的、尚未被發現的哺乳動物。很多古生物學家的觀點是,嚴格意義上的哺乳類直到幾百萬年后的侏羅紀才演化出來。如果這種觀點是正確的話,那么來自卡尼期的化石就不是哺乳動物的,但它們還是有可能屬于哺乳類的祖先。

                不管哺乳動物是什么情況,過去十年左右時間里的一系列發現,為其它演化轉變提供了強有力的證據。2013年,有研究報告稱,一類叫作鈣質超微浮游生物的海洋生物是在卡尼期起源的5。這些單細胞生物長有碳酸鈣構成的硬質外殼。如今,它們會形成大規模的水華,并被稱為“海洋之草”。它們在大氣與海洋之間的碳循環里也起著重要的作用。

                另一個在卡尼期發生重大變化的類群是石珊瑚,這些生物一手打造了我們今日所見的巨大珊瑚礁。石珊瑚在三疊紀早期就已經出現了,但直到卡尼期或那之后不久,它們才開始構建大型的珊瑚礁。來自珊瑚化石的同位素數據及其它證據表明,石珊瑚可能也是從這時候開始,與現在為它們提供養分的光合藻類建立共生關系的6。

                火山時代

                并不是所有人都相信地球在卡尼期經過了一個溫暖、潮濕的階段?!拔疫€是有疑問?!盫isscher說。他承認當時的氣候發生了變化,但認為降水可能變得更具有季節性,從而導致了一年生植物的出現。類似地,德國哥廷根大學的Matthias Franz發現,至少在部分歐洲地區,卡尼期異常的濕度可能是由海平面上升造成的7,但他不清楚這是否能解釋其它地區的氣候變化。無論如何,Franz還是強調這段地質時期很重要?!昂茱@然,那時候發生了某個事件,”他說,“問題在于具體發生了什么?!?/p>

                Simms和Ruffell之前就曾提出火山噴發是讓氣候產生變化的原因,而且地質學家也有個首選對象:一場產生了巨量玄武巖的大災變。這片巖層從加拿大不列顛哥倫比亞省一直延伸到美國阿拉斯加州,有些地方厚達數千米。

                德國南部地區發現的晚三疊紀恐龍的藝術想象圖。圖片來源:倫敦自然歷史博物館/Alamy

                這些熔巖被命名為蘭格利亞地體(Wrangellia Terrane,名稱來源于阿拉斯加的蘭格爾山脈),它們是一個大火成巖?。↙arge Igneous Province,LIP)的一部分。這個LIP形成于大約2億3200萬年前,當時,該地區的火山在幾十萬乃至數百萬年間噴出了大量的巖漿。根據意大利帕多瓦大學的Andrea Marzoli的說法,這些火山起初是在海底的,但隨著巖漿的持續噴涌而浮出水面。

                如果這些大規模的噴發是發生在卡尼多雨期的話,那么它們可能釋放出足夠讓全球變暖的二氧化碳。而變暖又會使海洋與河流的蒸發量增加,從而產生更多的雨水。因為這一時期的主要變化是全球變暖,一些科學家認為卡尼“多雨”期這個命名頗具誤導性。

                利茲大學的地質學家Jacopo Dal Corso說:“自然而然地,我們需要去了解釋放到大氣中的二氧化碳,是否引發了世界各地降水量的增加?!彼膱F隊分析了來自意大利阿爾卑斯山區的富碳卡尼期地質材料樣本。2012年,他們報告稱,卡尼多雨期期間的碳-13(碳的重同位素)水平異乎尋常地低8,這表示有大量較輕的碳同位素碳-12被釋放到了大氣里,而蘭格利亞的火山噴發可能是這些碳的首要來源。

                后續研究也支持了Dal Corso的論斷,即由于火山噴發,卡尼期的碳循環受到了一百萬年左右的擾亂9。不過,一些科學家認為兩者間的聯系尚無法蓋棺定論,這是因為對巖石年代的測定仍存在不確定性,因此我們無法很肯定地說,蘭格利亞大噴發與卡尼期的氣候及演化改變是在同一時期發生的。Wignall認為原因在于對卡尼期的研究還不夠徹底,而且時間上的不確定性可以長達一百萬年。Marzoli計劃在明年夏天對蘭格利亞進行采樣,一部分目的就是弄清楚它的年代。他認為由于沒有其它備選對象,蘭格利亞仍然是可能性最大的解釋。

                與此同時,在卡尼期發生的演化轉變的清單也越來越長。

                其中最引人矚目的說法是,卡尼期對于恐龍的快速演化擴張至為關鍵。有證據顯示,在大約2億4500萬年前,在卡尼期之前恐龍就已經出現了,但這些最早期的恐龍十分稀少,只有少數幾個物種為人所知。

                有一點是很清楚的:恐龍發生了巨大的變化。在卡尼期剛開始的時候,它們還都是體型很小、雙足行走的生物。而到了卡尼期末期,兩個主要的恐龍類群都已經出現了:鳥臀類,包括更晚些時候演化出來的劍龍和三角龍;蜥臀類,后來演化出像腕龍那樣體型龐大、長脖子的種類,以及包括霸王龍和鳥類在內的獸腳類。通過使用來自阿爾卑斯山區的年代明確的樣本,英國布里斯托大學的古生物學家Mike Benton和合作者一起構建了晚三疊紀動物足跡的高分辨率時間標尺,從而對恐龍的部分演化轉變做了記錄10??崞谠缙?,占主導地位的是一種叫作鑲嵌踝類主龍(crurotarsans)的爬行動物,但到了卡尼期結束的時候,恐龍已經變成了優勢物種。這樣的改變只用了400萬年,而且和卡尼多雨期重疊。在快速崛起之后,恐龍在長達1億5000多萬年的時間里統治著這個星球。

                卡尼期發生了如此之多的變化,再加上巖石年代測定的不確定性,對于研究者來說,要構建出一幅該時期氣候變化及其如何影響生態系統的全景圖,也是困難重重。但卡尼期已經是熱門話題了?!霸谶@段時期發生了很多有趣的事情,其中之一是從脊椎動物一直到浮游生物都涌現出了現代類群?!盬ignall說道。

                這是生命史上相當重要的轉型期之一。當時,地球還處于二疊紀末大滅絕后的恢復階段,而卡尼期見證了新的生物類群的崛起,它們將在之后站上這個星球歷史的頂點。

                這片研究領域的兩位開拓者對已發生的一切感到既驚訝又高興。Simms現在滿足于以旁觀者的身份關注它的研究進展,但Ruffell又重新開始研究卡尼期地質學了。頗具諷刺意味的是,Ruffell說,他對卡尼期的研究只是興趣愛好。用他自己的話來講,這段動搖了演化史的精彩地質時期,是被“幾個原本就完全不應該涉足這個領域的家伙”發現的。

                1.Simms, M. J. & Ruffell, A. H. Geology 17, 265–268 (1989).

                2.Visscher, H. et al. Rev. Palaeobot. Palynol. 83, 217–226 (1994).

                3.Datta, P. M. J. Vert. Paleontol. 25, 200–207 (2005).

                4.Lucas, S. G., Heckert, A. B., Harris, J. D., Seegis, D. & Wild, R. J. Vert. Paleontol. 21, 397–399 (2010).

                5.Preto, N., Willems, H., Guaiumi, C. & Westphal, H. Facies 59, 891–914 (2013).

                6.Stanley, G. D. Jr Science 312, 857–858 (2006).

                7.Franz, M. et al. Glob. Planet. Change 122, 305–329 (2014).

                8.Dal Corso, J. et al. Geology 40, 79–82 (2012).

                9.Dal Corso, J. et al. Earth Sci. Rev. 185, 732–750 (2018).

                10.Bernardi, M., Gianolla, P., Petti, F. M., Mietto, P. & Benton, M. J. Nature Commun. 9, 1499 (2018).

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