生物大滅絕(英文:Biological 消光)是指生物大規模的集群滅絕,整科整目甚至整綱的生物在很短的時間內徹底消失,或僅有極少數殘存下來。
地球歷史上曾發生過5次生物大滅絕,其中第一次是奧陶紀末大滅絕,發生在4.4億年前,由于地球氣候變冷和海平面下降,生活在水體的各種不同的無脊椎動物便蕩然無存。
第2次是泥盆紀末大滅絕,發生于泥盆紀后期,3.75億~3.60億年前,海洋生物約19%的科、50%的屬滅絕。其可能的生物學原因包括地球進入卡魯冰河時期,以及泥盆紀陸生植物進化出發達的根系,加速了巖石土壤風化,導致水系富營養化和海底缺氧事件。泥盆紀末集群滅絕事件具有“瞬時性”和多幕式特點,持續時間為10萬年-30萬年。
第3次大滅絕發生在2.52億年前的二疊紀末期,是地球有生命以來最嚴重的一次生態危機事件,估計地球上有96%的物種滅絕,其中90%的海洋生物和70%的陸地脊椎動物滅絕。
第4次生物大滅絕發生在2億年前的三疊紀晚期,導致地球上的生物約23%的科與48%的屬滅絕。
第5次生物大滅絕發生在距今6,500萬年前的白堊紀末期,隕石撞擊引發75%~80%的物種滅絕。
有科學家推測,2100年,人類將迎來第六次大規模物種滅絕。
提出
地球史上5次大的集群滅絕事件最早是由芝加哥大學古生物學家大衛·駱普(David Raup)和杰克·塞科斯基((Jack Sepkoski)1982年發布在《科學》雜志上的論文所認定的。
概念與命名
生物大滅絕是指生物大規模的集群滅絕,整科、整目甚至整綱的生物在很短的時間內徹底消失,或僅有極少數殘存下來。在集群滅絕過程中,往往是整個分類單元中的所有物種。在近5.5億年歷史中,地球已經歷過5次物種大滅絕事件。
五次大滅絕事件
奧陶紀末大滅絕
奧陶紀末大滅絕是地球首次生物大滅絕,發生在4.431億年前到4.429億年前,處于奧陶紀末期或奧陶紀與志留紀過渡時期。顯生宙第一次大冰期的出現,導致了這次生物大滅絕。
奧陶紀末生命大滅絕可劃分為兩幕,兩幕之間相隔約50萬—100萬年,并分別受控于不同的滅絕機制:第一幕滅絕(LOME-1)發生在凱迪期(Katian)和赫南特期(Hirnantian)之交,彼時氣候迅速變冷,岡瓦納大陸冰川快速擴張至低緯度地區,海平面快速下降,海洋缺氧,最終導致大規模生物絕滅;第二幕滅絕(LOME-2)發生在赫南特期中晚期,此時隨著氣候快速回暖,冰蓋快速消融,冰川融水攜帶大量大陸風化營養物質進入海洋,促使初級生產力飆升,并進一步導致淺海區耗氧量增加,缺氧程度加劇,再次重創剛剛適應冷水環境的海洋生物(以赫南特動物群為代表)。
奧陶紀末大滅絕使當時的海洋生物遭遇了滅頂之災。淺海生物對生活環境的要求相對較高,所以一旦環境發生突變,它們就難以適應。當時85%的海洋生物物種滅絕,像珊瑚、腕足動物門、三葉蟲等生物門類的多個類群幾乎全軍覆滅。
泥盆紀末大滅絕
第2次生物大滅絕是泥盆紀末大滅絕,發生于泥盆紀后期,3.75億~3.60億年前。其可能的生物學原因,一說為地球進入卡魯冰河時期所致。還有研究認為,泥盆紀陸生植物進化出發達的根系深入地表土之下數米,加速了陸地巖石土壤的風化,大量鐵等元素釋放進入地表水,造成了水系的水體富營養化大暴發,導致了海底缺氧事件。此外,海洋表層的繁盛的有機化合物的沉降,使得全球碳循環中大氣層的二氧化碳大量進入海底沉積層,也加強了地球冷化。
大滅絕的誘因和機制,前人曾提出多種假說,如海洋缺氧、氣候變冷、海平面快速升降、火山噴發以及多種環境因素綜合作用等。中國科學院南京地質古生物研究所聯合中外多所高校開展合作,對中國四川龍門山泥盆紀石炭系界線剖面開展系統綜合研究,為“泥盆紀植物假說”提供關鍵的地質證據和模型結果支撐。泥盆紀-石炭紀之交是地質歷史演化關鍵轉折期之一,隨著種子植物起源與多樣化,大氣二氧化碳分壓急劇下降,全球氣候變冷,海洋碳-氮循環異常,海水發生大范圍缺氧,發生泥盆紀末生物滅絕事件。
泥盆紀末集群滅絕事件具有“瞬時性”和多幕式特點,持續時間為10萬年-30萬年,主要是海洋生物的滅絕,海洋生物約19%的科、50%的屬滅絕。
二疊紀末大滅絕
二疊紀末生物大滅絕發生在2.52億年前,持續時間約6萬年,是地球有生命以來最嚴重的一次生態危機事件,其中90%的海洋生物和70%的陸地脊椎動物滅絕。大規模火山噴發被認為是導致這次生態危機、環境快速惡化以及生物大滅絕的主要原因。
科學家發現,二疊紀大滅絕事件分為兩個階段:一次發生在瓜達魯普世末(約2.6億年前),可能與當時的峨眉山玄武巖大規模噴發有關;另一次發生在二疊紀末期(約2.5億年前)。通常所說的二疊紀末生物大滅絕,是指發生在二疊紀三疊紀之交的生物滅絕事件。二疊紀末期形成的巖石顯示,當時某些地區氣候變冷,在地球兩極形成了冰蓋。
在這次滅絕事件中,地球上的生物約57%的科、83%的屬滅絕。許多動物門類整個目或亞目在此次事件中全部滅亡,曾遍布各地的舌羊齒屬植物群幾乎全部絕滅,早古生代繁盛的三葉蟲全部消失,蜓類原有40多個屬,該世結束時完全消失,桿菊石有10個科絕滅,腕足動物門之前有140個屬,在該事件后所剩無幾。估計地球上有96%的物種滅絕。
三疊紀末大滅絕
三疊紀末生物大滅絕是第四次大滅絕,發生在2.0億年前的三疊紀侏羅紀過渡時期,延續了約5000萬年。其發生原因,歷來有多種解釋,火山噴發成為了許多科學家關注的重點。支持火山噴發導致三疊紀末生物大滅絕事件的科學家認為,在中生代早期,由于盤古泛大陸的解體,引發強烈的火山活動,致使大氣二氧化碳濃度升高,從而導致生物大滅絕。
中國科學院南京地質古生物研究所研究員沙金庚、房亞男博士與外國學者合作,在國際知名刊物《科學進展》在線發表的一項最新研究成果表明:火山冬天是導致三疊紀末陸地生物大滅絕的主要原因。火山冬天是指火山噴發釋放的大量的火山灰和氣溶膠阻擋日照輻射,從而造成地球表面溫度驟降。超級火山噴發首先帶來了火山冬天,火山冬天的“冷”造成了陸地生物大滅絕,而非傳統觀點認為的“熱”。
三疊紀末大滅絕導致地球上的生物約23%的科與48%的屬滅絕。三疊紀末大滅絕導致了大量動植物滅絕,恐龍擁有具有保溫功能的原始羽毛,確保了食草性恐龍能夠抵御中高緯度的冷冬,進而獨享中高緯度的植物資源,這部分恐龍成功幸存了下來。大部分沒有羽毛保溫的其他初龍型類動物則滅絕于火山冬天,僅少數體積比較小的一些種類靠躲避在洞穴中而躲過了災難。
白堊紀末大滅絕
第5次生物大滅絕發生在距今6,500萬年前的白堊紀末期。普遍觀點認為,0.66億年前小行星碰撞地球導致恐龍和其它物種滅絕消失。2016年,科學家重建滅絕事件當時的南冰洋海洋溫度,表明該滅絕事件是由于火山噴發和太空巖石碰撞雙重因素造成的。
專家發現,南冰洋海洋溫度曾出現兩次驟然升溫峰值。密歇根大學和佛羅里達大學研究人員對遠古貝殼類生物化石的化學成分進行了分析。在第一次加熱事件中,印度地區出現了火山爆發,噴涌出導致地球變暖的二氧化碳,南冰洋溫度升高了7.8攝氏度(14華氏度)。第二次加熱事件出現在15萬年之后,小行星撞擊地球(在墨西哥希克蘇魯伯形成隕石坑),當時的水溫平均上升了約1.1攝氏度(2華氏度)。研究顯示,物種大滅絕和兩次溫度的迅速上升恰好對應。第一次滅絕事件與印度德干暗色巖火山開始爆發對應,第二次規模稍小的滅絕事件和希克蘇魯伯隕石撞擊的時間更加接近。
白堊紀末期大滅絕在五次大滅絕中最為著名,它使長達1.4億年的恐龍時代終結,海洋中的菊石亞綱也一同消失,地球上75%~80%的物種滅絕。
影響因素
每一次生物大滅絕都經歷了一個相當漫長的演變過程,大滅絕的原因都與巨變的地球環境有關,但地球復雜環境之間存在的演化關聯性,使得每一次大滅絕都與諸多環境的突發性、規模性和周期性演變有關。過去五次大滅絕大多由于自然因素,如隕石撞擊、氣候變化、地平線降低、火山噴發等引起。
洪水玄武巖事件
二疊紀、三疊紀滅絕事件是因為巖漿大量噴涌。幾次大規模的火山爆發,共噴出大約500萬立方千米的流動熔巖,流淌數百公里,炙熱的熔巖海覆蓋了大片陸地,冷卻后形成大片玄武巖。當熔巖一遍遍流經這些地區,玄武巖便一層層的堆積起來。當地幔的熔巖從地球內部深處升起時,它熔化了一些先前俯沖到陸地之下的古代洋殼。這種循環再生的洋殼富含揮發性化合物,在加熱時會釋放出大量的氣體。同時,這些洪水玄武巖在通過上層地殼來到地面的路上,遇到了煤層等地層,它們在巖漿的高溫炙烤下釋放出更多的氣體。
洪水玄武巖和火山噴發造成的氣體噴涌釋放的二氧化碳產生了強大的溫室效應,使地表溫度迅速上升,而更深的海域卻開始缺氧,使海底的生物窒息。其他有毒的火山氣體,例如氯化氫和二氧化硫,也可能進入高處的平流層中,氯化氫的排放會嚴重消耗臭氧層,使陽光中的有害紫外線到達地球表面。二氧化硫的部分作用是阻擋陽光,妨害進行光合作用的生命及其他相關的生命形式,然后再以酸雨的形式從大氣中排出。這些使得地球上的生態系統崩潰,并引發了地球物種滅絕。
海平面下降
顯生宙第一次大冰期的出現,形成了大規模冰蓋,總規模達到1.5億立方千米,是今天地球南極和北極冰蓋總和的6倍以上。當時,全球海平面急速下降100至150米,氣溫下降6~8攝氏度,最終導致滅絕事件的發生。
隕石撞擊地球
科學家發現,0.66億年前小行星碰撞地球之后,硫酸微粒形成在高空,阻擋陽光照射數年,使地球處于黑暗寒冷環境。這一時期,全球年平均氣溫下降至少26攝氏度。之后3年,地球年平均氣溫低于冰點,冰蓋面積逐漸擴大,植物死亡,死亡擴散至地球整個食物鏈。此外,死亡效應影響海洋環境,導致海水寒冷結冰,嚴重破壞海洋生態系統。與小行星碰撞附近區域出現極端熱量、野火或者海嘯等局部影響相比,硫酸微粒導致的長期地球降溫或許是導致恐龍滅絕的真實原因。
氣候變化
已有研究表明,大約6億年以來生命在不斷地演化,還沒有任何天外事件曾經毀滅整個地球生物圈,所有生物大滅絕事件幾乎都伴隨有劇烈的全球性環境變化。奧陶紀末、泥盆紀晚期、三疊紀末事件都伴隨有冰室效應/溫室效應氣候轉變事件的發生;二疊紀末、白堊紀末等事件發生的前后都有溫度劇烈變化、海洋酸化和缺氧、海洋微生物爆發等現象出現。所有這些都說明劇烈的氣候環境變化是導致生物大滅絕發生的原因。
氣候環境變化的根本原因大多指向地球內部的活動造成的大規模火山噴發。大規模火山噴發帶來的CO2等溫室氣體本身不足以造成地質記錄所表現的碳同位素、溫度等變化幅度,但火山作用可以觸發蘊藏在各大陸和大陸架沉積物中的大量甲烷等溫室氣體在短時間內快速釋放,這些溫室氣體大量進入大氣,可導致地表環境劇烈變化,從而造成生物大滅絕。
相關研究
2024年2月1日,中國科學院院士、南京大學生物演化與環境科教融合中心教授沈樹忠帶領的研究團隊在美國《科學》雜志子刊《科學進展》(Science Advances)上發表最新研究成果,首次精確限定了二疊紀末(約2.52億年前)低緯度地區陸地生物大滅絕的時間。研究表明,低緯度地區陸地生態系統開始崩潰的時間比海洋生物大滅絕開始的時間推遲了至少6萬年,低緯度地區的生物滅絕不僅發生得更晚,滅絕率也更低。
中國地質大學專家牽頭的聯合團隊用生態計算模擬技術研究,揭示大滅絕中生物多樣性銳減可能為生態系統塌前兆,相關研究成果發表在期刊《當代生物學期刊》上。美國夏威夷大學馬諾阿分校和法國巴黎國家自然歷史博物館的生物學家曾在《生物學評論》雜志上發表研究報告指出,物種滅絕率的急劇增加和許多動植物種群數量的下降,是有據可查的。自1500年以來,地球可能已經失去了其200萬種已知物種的7.5%—13%,即15萬—26萬種物種。
第六次大規模物種滅絕
第六次生物大滅絕可能始于距今1.1萬年的新石器時代。那時人類已擁有較好的石器,可以較容易獵殺野生動物。從200多年前工業革命時代開始,人類只看重生物源的實用價值而肆意開發,卻忽略了生物多樣性的間接與潛在價值,同時伴隨生產力發展而來的森林開墾、野生動物獵殺、礦山開采以及大批工廠廢氣和廢物排放等行為,使生態環境遭到極大的破壞。人類的誕生與進化對地球環境造成了重大的影響,聯合國環境規劃署曾指出,截至2013年,地球上每年至少有6萬種生物滅絕,第六次生物大滅絕主要由人類導演。
研究發現,每次大滅絕事件都與大氣層和海洋內正常碳循環被徹底顛覆有關,這些每隔幾千到幾百萬年發生的碳巨變,導致全球范圍內的海洋物種徹底出局。針對歷史大滅絕事件中跨越數千到數百萬年的長時間跨度,可用碳循環變化速率為參考臨界值,如果這個速度快到地球生態系統無法適應,物種就會大面積滅絕。
在過去5.42億年間,地球發生了與碳循環巨變有關的5次大規模滅絕事件和31次災難性事件,地球化學研究人員用碳-12和碳-13兩種同位素的相對豐度記錄了期間的碳量變化。通過數學轉換,麻省理工學院地球、大氣與行星科學系教授丹尼爾·羅斯曼將這些相對豐度換算成海洋碳增加量,最后繪制出了海洋碳增量和時間跨度之間的關系曲線圖。
丹尼爾·羅斯曼發現,曲線圖有一個臨界值,31個事件中大多數都在臨界值以下,說明這些事件雖然涉及到碳的顯著變化,但相對而言變化量較低,不足以破壞地球系統走向物種大滅絕。相比之下,5次大滅絕事件中,有4次碳變量超過臨界值;而最嚴重的二疊紀大滅絕事件超出臨界值最多。
人類的誕生與進化對地球環境造成了影響。有科學家推測,2100年,人類將迎來第六次大規模物種滅絕。丹尼爾·羅斯曼通過數學公式,對包括5次大規模滅絕事件在內的5.5億年間碳循環的重大變化進行了計算分析,確定了“災難臨界值”。他將這一數值與政府間氣候變化專門委員會(IPCC)報告提供的預測值對照后發現,2100年,海洋碳總量將接近或遠超過該臨界值,從而導致第六次大規模物種滅絕。
丹尼爾·羅斯曼用公式計算出,當今海洋碳增量的臨界值約是3100億噸,這個值接近IPCC對2100年的預測值。IPCC最新發布的預測報告稱,到2100年,人類在海洋中增加的總碳量,最低3000億噸;如果不采取有力措施,最高可達5000億噸,遠超3100億噸的臨界閾值。丹尼爾·羅斯曼表示,如果不通過政策和技術等手段對二氧化碳排放嚴加控制,碳循環將進入一個不穩定邊界,并會以一種難以預測的方式運行,這種行為通常與大規模滅絕相關。
參考資料 >
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三疊紀生物大滅絕或因火山爆發.中國科學院.2024-12-06
【新華社】我國科學家提出4.4億年前地球生命大滅絕新機制.中國科學技術大學新聞網.2025-05-20
史上首次生物大滅絕持續僅二十萬年.百家號.2025-05-20
4.4億年前地球生命大滅絕是怎么造成的.百家號.2025-05-20
地球首次生物大滅絕持續時間僅20萬年.央視網.2024-12-03
【中國新聞網】最新研究揭開泥盆紀末生物滅絕“神秘面紗”.中國科學院.2024-11-29
2100年,地球迎來第六次物種大滅絕.中國科學院.2024-11-28
地質地球所揭示奧陶紀末海洋缺氧導致生物大絕滅的過程.中國科學院.2024-11-29
水體富營養化.生態環境部.2024-12-06
【中國科學報】追蹤二疊紀末生物大滅絕“元兇”.中國科學院.2024-12-05
中外科學家揭秘二疊紀末生物大滅絕新發現.中國新聞網.2024-11-29
2.5億年前的二疊紀末生物大滅絕讓超過80%的海洋生物滅亡 誰是“罪魁禍首”?.中國科學院南京地質古生物研究所.2024-12-05
哥倫比亞、羅迪尼亞和盤古大陸:地球超級大陸史.化石網.2024-12-06
【科技日報】導致三疊紀末生物大滅絕的“冰冷”真相.中國科學院.2024-11-29
火山噴發和隕石碰撞雙重災難導致恐龍滅絕. 中國科學院南京地質古生物研究所.2024-11-29
研究:地球因人類活動正經歷第6次物種大滅絕 .華聲在線.2024-11-29
【科技日報】第六次生物大滅絕的是與非.中國科學院.2024-11-28
0.66億年前小行星碰撞地球造成的黑暗寒冷環境或許才是導致恐龍滅絕的真實原因.中國科學院南京地質古生物研究所.2024-12-06
生物大滅絕的主要特征:極端氣候(大冰期或大溫暖期)和超級火山噴發.科學網.2024-12-06
專家揭示大滅絕中生物多樣性銳減或為生態系統坍塌前兆.今日頭條-光明網.2023-02-26
保住1.2%土地 就能阻止“第六次生物大滅絕”.光明網.2024-11-28