2. 52亿年前的二叠纪生物大灭绝导致了90%的海洋生物灭绝,陆地生物也有70%以上毁灭。陆地上原本繁盛的两生类、爬行类动物和昆虫等几乎消失得一干二净,海洋中无脊椎动物和珊瑚等生物更是损失惨重。即使在白垩纪(约1. 5亿年前)末期的恐龙灭绝,其毁灭规模也只有二叠纪末期生物大灭绝的1/3。
大爆炸与火山爆发
对于二叠纪生物大灭绝,研究人员提出了种种原因和假说来解释。其中较为重要的有2种:一是大爆炸理论,即认为是小行星撞击地球产生大爆炸而致;另一是火山爆发导致生物大灭绝。
奥地利维也纳大学的克里斯蒂 · 克布尔等人在南部阿尔卑斯山地区和意大利西部的多罗米特两地采集岩石标本进行研究后认为,地外行星不可能导致地球生物灭绝。因为,小行星和彗星的化学成分与地球有着不同之处,如果它们曾经与地球发生冲撞,岩石中一定会留下它们的痕迹,并将结果发表在2004年12月的《地质学》杂志上。
铱元素大量存在于小行星、彗星和其他地外星体中,但克布尔等人采集到的岩石标本中铱元素较少。与恐龙灭绝时期的岩石样品相比,铱的含量更少,而且也没有发现与小行星撞击密切相关的同位素氦-3和锇-187。
于是人们转而相信是地球本身的原因——火山大爆发——导致了二叠纪物种大灭绝。20世纪70年代,美国地质学家詹森 · 摩根(Jason Morgan)等人在西西伯利亚发现了火山爆发的标志──玄武岩,其面积约200万平方公里,比整个欧洲都要大(这些火山爆发被视为是持续的,从二叠纪到后来的白垩纪)。
由此,研究人员推论是火山大爆发的一系列反应和事件导致了生物大灭绝,这个过程持续了约10000年。开始是西伯利亚的火山大爆发,大量的火山灰和温室气体使地球的温度逐渐升高,导致一些物种的死亡。过后,大量的生物尸体腐败产生的甲烷把地球温度提升了5摄氏度,然后开始大量放出碳12,这又加剧了地球的温室效应,使地球的温度又提高了5摄氏度。
地球温度的逐渐升高及后来发生的冰河期,导致了后期海洋生物的大灭绝。70%的陆生生物和90%的海洋生物就此灭绝了。
臭氧缺失才是原因
尽管火山爆发可以在一定程度上解释二叠纪生物大灭绝,但这也是一种推论,需要更多的研究结果来证实,并且有很多细节需要充实。
于是,出现了一些新的理论和研究以证明火山爆发诱发了生物大灭绝。在英国近期出版的《自然》杂志上,研究人员认为,火山爆发导致了臭氧空洞的形成,使臭氧层变薄,进而太阳辐射造成了生物大灭绝。
说到臭氧要区分两个概念。臭氧是氧的同素异性体,低空中臭氧是一种污染物,浓度过高会影响各类植物的生长,进而威胁人类的健康,导致呼吸道、心血管疾病的产生。但位于距地面25公里处的臭氧层却是地球的保护神,这里的臭氧层能够吸收99%以上的太阳紫外线,以免除紫外线对地球生物的伤害。
英国谢菲尔德大学的查尔斯 · 威尔曼(Charles Wellman)等人认为,首先是火山大爆发喷出了大量的烟尘、硫化物和卤化物,后者破坏了大气的化学成分并且可能在臭氧层撕开了一个大洞。由此造成地球保护层的缺失,致使生物大灭绝。
这一结论来自对植物孢子的研究。植物孢子中含有一种副香豆酸(para-coumaric acid)的自然屏蔽阳光的化学物质,其作用是保护孢子DNA免受紫外线B(UV-B)的伤害。臭氧层通常能阻断UV-B的辐射,如果臭氧层变薄,UV-B辐射水平势必会升高,植物就会释放更多的副香豆酸到孢子壁上用以防护。因此,研究人员认为,测量化石孢子中的副香豆酸含量可以确认2. 52亿年前的二叠纪生物大灭绝是否是与臭氧缺失有关。
于是,他们选择了石松属泥炭藓(Lycopodium magellanicum)作为观察对象(这些植物孢子取自大西洋南部的南乔治亚岛,该岛天空存在一个较大的臭氧空洞)。结果发现,这些孢子中所含的保护性化学物质副香豆酸的含量是40年前的3倍。据此,研究人员认为,该岛上空的臭氧水平已经比40年前减少了14%;而来自赤道没有臭氧空洞地区的孢子的副香豆酸水平没有发生变化。由此,研究人员认为,2. 52亿年前的二叠纪生物大灭绝是由于臭氧层出现了空洞,导致保护性臭氧减少而造成的。
还需要新的证据
虽然英国研究人员通过植物孢子中化学物质的变化,证明地球上空的臭氧空洞和臭氧层变薄,但是能否对二叠纪时期的化石孢子中的副香豆酸含量的变化来显示臭氧空洞的形成或臭氧层的变薄呢?如今,他们正在这么做。
植物花粉孢子中有非常出色的化石记录,尽管副香豆酸会随时间的流逝而被破坏,但会在孢子化石中留下印记。植物孢子的一个特点是耐高温,即使有太阳的灼烤,研究人员也会从二叠纪时期留下的化石记录中发现副香豆酸色素。
如果二叠纪生物大灭绝确实与臭氧层破坏有关,剩下的另一个问题就是,今天我们如何保护臭氧层,不要因为人为的因素造成臭氧层的变薄或形成空洞,再次造成地球上的生物大灭绝,包括人类。
慎用破坏臭氧的物质
大气中的臭氧含量仅为一亿分之一。如果浓度过高,对呼吸道粘膜和眼睛有轻度伤害。实验表明,臭氧引起人的嗅阈值为0. 02 mg/m3,而0. 2~0. 94 mg/m3时对鼻和喉头粘膜有刺激作用,0. 6~1. 0 mg/m3时对眼睛有刺激,1. 0 mg/m3引起肺活量减少,1. 88~18. 8 mg/m3时可出现咳嗽、胸痛、呕吐等症状等。
在离地面20~30公里的平流层中,臭氧的含量提高了1000倍,占这一高度的空气总量的十万分之一(被称为地球上空的臭氧层)。臭氧层的臭氧含量虽然极其微量,却具有非常强烈的吸收紫外线的功能,几乎可以完全吸收掉太阳紫外线对生物有害的部分——UV-B。
20世纪20~30年代以后,人类合成的一种叫“氯氟烃”(CFC)的化学物质被广泛使用于冷冻设备、家用冰箱和空调的制冷剂,CFC也是塑料工业中各类硬软泡沫塑料的发泡剂,还成为医用、美发、空气清新的气雾剂和烟丝膨胀剂。
CFC释放到大气中会分解出氯原子。自由的氯原子遇上臭氧分子后,会“夺”走其O3中的一个氧原子,使之成为氧分子O2。每一个氯原子可以把上万个臭氧分子变成普通氧分子,结果使高空中由臭氧分子组成的臭氧层被大大损耗,由此臭氧层变薄,甚至出现臭氧空洞。
还有4类破坏臭氧层的化学物质分别是哈龙(Halon),用于灭火器具和灭火系统;四氯化碳(CTC),是制造CFC的原料,也是干洗店常用的干洗剂;三氯乙烷,也称甲基氯仿(TCA),用于金属元件和电子元件的清洗;甲基溴(MB),用于农业大棚的熏蒸。它们与CFC一起,统称为“消耗臭氧层的物质”,在保护臭氧层的国际公约《蒙特利尔议定书》中,它们被列为“受控物质”。所以,现在和未来的绿色家电都要使用无氟材料。如果能减少人类行为对臭氧层的破坏,也许能避免未来生物大灭绝悲剧的重新发生。
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臭氧层变薄或出现空洞时的危害
1、使微生物死亡;2、使植物生长受阻,尤其是农作物如棉花、豆类、瓜类和一些蔬菜的生长受到伤害;3、使海洋中的浮游生物死亡,导致以这些浮游生物为食的海洋生物相继死亡;4、使海洋中的鱼苗死亡,渔业减产;5、使动物和人的眼睛失明;6、使人和动物免疫力减低;7、人的皮肤色斑增多,皮肤癌发病率增高。臭氧层每损耗1%,人类的皮肤癌发病率将增加5. 5%;8、促使地球变暖。