中國科大揭示二疊紀末生命大滅絕新機制
距今約2.5億年的二疊紀末期，地球上曾發生過一次最大規模的生命滅絕事件，造成海洋中超過90%以及陸地上超過70%的生物消失。中國科學技術大學沈延安課題組以高精度鎳(Ni)同位素分析為主要手段對加拿大北極地區的晚二疊-早三疊地層進行了系統研究，提出西伯利亞大火成岩省噴發產生的含鎳氣溶膠是二疊紀末生命大滅絕的重要因素這一新觀點。
相關研究成果近日以“Nickel isotopes link Siberian Traps aerosol particlesto the end-Permian mass extinction”為題發表於綜合學術期刊《自然-通訊》(Nature Communications)。
在關於二疊紀末生命大滅絕的環境和機制研究方面，國內外學者提出了多種觀點和認識，其中主要驅動因素包括二氧化碳、甲烷等溫室氣體含量的急劇升高和全球變暖、海洋缺氧和酸化、富含硫化氫海水的上湧、海洋中有毒金屬元素的大量富集等。在過去30多年，國內外學者在全球範圍內對二疊紀末生命大滅絕事件進行了廣泛的研究，一般認為造成生命大滅絕和環境巨變的根源在於西伯利亞大火成岩省的噴發。西伯利亞大火成岩省是地質歷史上最大規模的大火成岩省，主要由大約三千萬億立方米的玄武岩組成，因此它的噴發能夠造成全球大氣和環境的劇烈變化。但最近的精確年齡測試表明，西伯利亞大火成岩省在二疊紀末生命大滅絕事件的30萬年之前就已經開始噴發，因此大火成岩省的噴發和生命滅絕的成因聯繫成為地球生物學領域未解的重要科學問題。
論文的第一作者博士後李夢涵介紹說：“我們的研究對像是分佈在加拿大北極地區Sverdrup盆地的Buchanan Lake剖面。從古地理位置來看，Sverdrup盆地距離西伯利亞大火成岩省大約2萬公里，且處於其下風口，火山噴發的產物大約只需要4-8天就可以到達該盆地，因此它是研究二疊紀末火山噴發如何驅動環境變化的理想地區”。研究人員對Buchanan Lake剖面進行高精度Ni同位素測試後發現，Ni同位素的組成與當時海水中的氧氣含量以及化學組成具有良好的相關關係(如圖)。在二疊紀末生命大滅絕層位，Ni的含量由142.8 ppm突然降至36.4 ppm(如圖)。另外，Buchanan Lake剖面的Ni同位素組成非常輕，是35億年以來沉積岩中最輕的Ni同位素組成。
該研究認為，西伯利亞大火成岩省的噴發形成了大量含Ni的氣溶膠，它們經過全球大氣環流的傳輸沉降至海洋和陸地。Sverdrup盆地的Ni同位素組成清晰地記錄了從火山噴發、大氣傳輸到海洋化學組成變化這一系統過程(下圖)。Ni是海洋生物的重要營養元素之一，因此含Ni氣溶膠的大量沉降提高了海洋的初級生產力，同時大量消耗了海水中的氧氣，其造成的環境惡果是海洋的缺氧和酸化。大量含Ni氣溶膠的沉降也造成了陸地生物生長環境的惡化，因為過量的Ni不利於植物的光合和呼吸作用、限制植物的生長及其多樣性，最後導致植物的死亡。該研究不僅證明了Ni在改變海洋和陸地環境方面的重要作用，而且為西伯利亞大火成岩省噴發和全球環境變化之間的成因聯繫搭建了橋樑。
沈延安介紹說，在過去5.4億年以來地球上共發生了五次生命大滅絕事件，該項研究是首次應用Ni同位素解析生命滅絕過程中的劇烈環境變化，為理解生命和環境的相互作用提供了新的視角，也必將會啟發國內外學者採取相同手段對其它重要地質歷史轉折時期生命和環境的相互作用開展廣泛深入的研究。
該項研究受到國家自然科學基金創新研究群體和重大項目、高等學校學科創新引智計劃、中國科學院前沿科學重點研究項目等資助。