二叠纪末陆地物种大灭绝之谜揭开

臭氧层破坏引起的紫外线辐射增加对陆地食物链的影响。（图片来源：中科院南京地质古生物研究所）

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进化杂谈

二叠纪末生物大灭绝是显生宙五次生物大灭绝中规模和影响最大、最为惨烈的灭绝事件。历时近3亿年的古生代生态体系遭遇了根本性的颠覆，约81%的海洋物种和89%的陆地物种灭绝了。其中，三叶虫、四射珊瑚、床板珊瑚和？类有孔虫完全灭绝，其他动植物绝大多数也退出了演化历史舞台。

对于此次生物大灭绝的原因，研究者大多指向西伯利亚大规模火山喷发这个“凶手”。但在过往研究中，科学家对于海洋生物灭绝探讨较多，而对于陆地生物灭绝的原因及证据研究却比较少。

近日，中国科学院南京地质古生物研究所研究人员与国外学者组成的团队通过研究发现，臭氧层的破坏使紫外线辐射增强，成为导致二叠纪末陆地生物大灭绝的“凶手”。相关研究成果在线发表于国际期刊《科学进展》。

“保护伞”分量虽少，但正好适宜生物生存

臭氧层是23亿年前第一次大氧化事件的产物。当地球从无氧环境变为有氧环境，伴随着大气中的氧气不断增多，氧气与紫外线发生化学反应，氧分子被分解为两个氧原子，孤立的氧原子与其他氧分子相结合形成了O_3，即臭氧。臭氧吸收紫外线，被分解为氧分子和氧原子，产生更多臭氧，于是形成了臭氧层。

作为地球生命的“保护伞”，臭氧层吸收了对生命有害的太阳紫外线，免除了对生物来说最重要的DNA的破坏。在紫外线三种类型中，最具破坏力的短波长紫外线和中波长紫外线能量巨大，能够到达生物的细胞内部，破坏DNA。因此，臭氧层就像是保护地球生物的重要“宇航服”，其分量虽极少，只占大气总量的百万分之一，却不多不少，正好适宜生物生存。

臭氧层形成这种微妙平衡的过程，可以说是近乎奇迹。但是，如果臭氧层出现空洞或稀薄，将使地球生命面临灾难性的后果。

花粉粒中“防晒霜”含量出现异常变化

生物为了适应环境，总会激发自身的潜力，演化出一些调控机制，以减少环境巨变对自身带来的伤害。例如，科学家发现在植物的孢子和花粉的外壁中含有大量香豆酸和阿魏酸化合物，其功能与“防晒霜”十分相似。植物体的生殖细胞就利用这些化合物，通过形成共振稳定的酚自由基，抵抗紫外线引起的氧化作用，从而保护脆弱的孢子和花粉，保障陆生植物的传播和繁衍。

专家通过分析我国西藏南部陆相二叠—三叠纪过渡剖面中的一些畸形孢子和花粉，推测出这些畸形孢子和花粉，是由于西伯利亚大火成岩省喷出的卤族元素造成全球臭氧层破坏，诱发紫外线辐射增加引起的。

另外，植物体为了抵御紫外线对叶肉细胞的破坏，还会在其叶片中大量合成叶黄素、香豆酸和阿魏酸等，这就势必相应减少了叶绿素的合成，从而降低植物体光合作用，减弱植物体对于温室气体吸收能力，最终加重二叠纪末期火山喷发引起的全球温室气体。

同时，叶肉中的叶黄素、香豆酸和阿魏酸等化合物的营养价值较低，大大影响了食草动物以及昆虫的消化，所以紫外线辐射的增加，间接影响了陆地食物链，这可能是导致二叠纪末陆地食草动物，以及昆虫大灭绝的重要原因。

臭氧层空洞不容忽视

今天的地球，臭氧层的状态同样令人揪心。科学观察发现，臭氧层的盈缩变化一直处在波动中。就在上世纪下半叶，南极上空的臭氧层空洞面积不断扩大，曾经一度达到了2500万平方公里。其罪魁祸首就是人类制造的氟利昂。不过，最近几年在全球人类的共同努力下，减少了氟利昂的排放，南极上空的臭氧层空洞正在慢慢愈合。

但美国国家航空航天局发现，在北极的上空又出现了一个面积相当于澳大利亚的巨大臭氧层空洞。而北极出现臭氧层空洞所引发的问题更加危险，因为世界上大部分的人口都生活在北半球。2020年春，北极上空的臭氧层空洞一度扩大，损失的臭氧含量达到2011年以来的最大值，其原因则与当时出现了一股强大的平流层极地涡旋有关，聚集在涡旋中的卤族元素促进了臭氧的分解，导致了臭氧层出现空洞。

显然，臭氧层破坏的原因比较复杂，包括人类和自然等因素。幸运的是，今年初，联合国专家小组发布报告称：“臭氧层正在稳步恢复”。但是，当我们审视地球历史上臭氧层破坏造成生物数次大灭绝的教训时，就应认识到，人类对于臭氧层的保护不能存在一丝一毫的侥幸。

保护臭氧层不仅有助于防护紫外线，还有利于应对全球变暖，但臭氧层这顶地球生物的“保护伞”其实非常脆弱，人类决不能忽视臭氧层空洞问题，否则类似地球历史上的生物大灭绝将会再次降临。

（作者系中国科学院南京地质古生物研究所研究员、南京古生物博物馆名誉馆长）