2.52億年前的二疊紀(jì)末大滅絕造成了約81%的海洋物種和89%的陸地物種滅絕，其主要原因被認(rèn)為是大規(guī)模火山噴發(fā)導(dǎo)致的環(huán)境變化，但仍缺乏環(huán)境因素影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的直接證據(jù)。

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近期，中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員劉鋒與英國(guó)、德國(guó)學(xué)者合作，通過(guò)研究該時(shí)期化石花粉粒中“防曬霜”的含量變化，發(fā)現(xiàn)了臭氧層破壞導(dǎo)致二疊紀(jì)末陸地生物大滅絕的直接證據(jù)。相關(guān)研究成果1月7日在線發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

為什么古老的花粉粒中會(huì)有“防曬霜”？這些“防曬霜”又是如何揭示二疊紀(jì)末大滅絕期間全球臭氧層被破壞的？

反推紫外線輻射強(qiáng)度

已有研究發(fā)現(xiàn)，二疊紀(jì)末期西伯利亞大火成巖省噴發(fā)造成的全球溫室氣體增加、全球變暖及海洋酸化可能是引起大滅絕的主要誘因。然而，對(duì)于這些環(huán)境因素如何影響陸地生態(tài)系統(tǒng)，目前還有很多爭(zhēng)論。

孢粉學(xué)相關(guān)研究人員在陸相二疊-三疊紀(jì)過(guò)渡剖面發(fā)現(xiàn)了一些畸形孢子和花粉，推測(cè)它們可能跟由西伯利亞大火成巖省噴出的鹵族元素相關(guān)，其造成全球臭氧層破壞，進(jìn)而誘發(fā)紫外線輻射增加引起畸形。

但劉鋒告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“單憑在陸相二疊-三疊紀(jì)過(guò)渡剖面發(fā)現(xiàn)的少量畸形孢子和花粉，并不能直接證明二疊紀(jì)末期大滅絕期間存在全球臭氧層空洞引起的紫外線輻射增加。”

植物體需要陽(yáng)光進(jìn)行光合作用，又要避免陽(yáng)光中有害的紫外線對(duì)植物體，特別是生殖細(xì)胞（孢子和花粉）中遺傳信息的破壞。為了適應(yīng)陸地輻射環(huán)境，陸生植物演化出了一些調(diào)控機(jī)制。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在植物體生殖細(xì)胞中，這種機(jī)制表現(xiàn)為孢子和花粉外壁中含有大量功能與“防曬霜”十分相似的化合物（香豆酸和阿魏酸）。這些化合物可形成共振穩(wěn)定的酚自由基，抵抗紫外線引起的氧化作用，從而保護(hù)脆弱的孢子和花粉，為陸生植物的傳播和繁衍提供保障。

植物學(xué)家已經(jīng)觀察到現(xiàn)代植物體可以根據(jù)周圍的紫外線輻射環(huán)境，自動(dòng)調(diào)節(jié)其生殖細(xì)胞外壁“防曬霜”的含量，同時(shí)這些“防曬霜”可以在惰性的孢子和花粉外壁中保存很長(zhǎng)時(shí)間。“理論上，我們可以通過(guò)對(duì)‘防曬霜’含量的測(cè)定，反推地質(zhì)歷史時(shí)期大氣紫外線輻射強(qiáng)度。”劉鋒說(shuō)。

顯微鏡下手動(dòng)挑選1011粒花粉化石

劉鋒帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用傅里葉變換紅外光譜，對(duì)產(chǎn)自我國(guó)西藏日喀則市扎西宗鄉(xiāng)曲宗村曲布剖面，即二疊-三疊紀(jì)過(guò)渡剖面的1011粒阿里型花粉中的香豆酸和阿魏酸進(jìn)行了定量測(cè)量。通過(guò)對(duì)這些花粉產(chǎn)出的紅外光譜大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在二疊紀(jì)末大滅絕期間，地層中花粉外壁的香豆酸和阿魏酸含量明顯高于滅絕前后化石花粉中該化合物的含量，直接證明了二疊紀(jì)末期大滅絕期間存在全球紫外線輻射增加的現(xiàn)象。

“在孢粉保存過(guò)程中，會(huì)不會(huì)混入其他物質(zhì)影響研究結(jié)果？”劉鋒對(duì)此解釋說(shuō)，孢粉保存過(guò)程中有可能混入一些無(wú)機(jī)物，主要是物理侵入，但混入有機(jī)物的可能性非常小，因?yàn)殒叻弁獗谑悄壳笆澜缟弦阎疃栊裕透g）的有機(jī)物，幾乎不與任何化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng)，所以很難混入有機(jī)物。“這也確保了我們研究的精準(zhǔn)性。”

“這1011粒花粉化石都是我們?cè)陲@微鏡下一粒粒挑出來(lái)的。”劉鋒向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，“第一次操作時(shí)手抖得厲害，當(dāng)天就撞碎了3根毛細(xì)管，每根管1500元，很心疼啊！”

研究團(tuán)隊(duì)遇到的最大困難是孢粉樣品太小，挑樣極其困難。“我們用了最先進(jìn)的Eppendorf細(xì)胞操作工具，勉強(qiáng)提高了挑樣速率。”劉鋒說(shuō)，“但由于經(jīng)費(fèi)有限，我們沒(méi)有買Eppendorf電子操作手臂，都是用自己的手控制毛細(xì)管挑選孢粉。”

在經(jīng)歷了上千次操作后，現(xiàn)在劉鋒和學(xué)生的手臂操作已經(jīng)非常穩(wěn)定，抖動(dòng)不超過(guò)幾微米級(jí)。

劉鋒指出，現(xiàn)在市面上常見(jiàn)的傅里葉變換紅外光譜都不是專門用來(lái)測(cè)量花粉的，因此測(cè)量這么小的物體后得到的信號(hào)都很小。“盡管后期獲得的光譜信號(hào)仍不算大，但我們使用了一些數(shù)學(xué)算法放大了信號(hào)，最終克服了儀器精度方面的困難。”

存活的植物帶動(dòng)了其他物種滅絕

“此前的研究往往認(rèn)為植物先滅絕，再帶動(dòng)其他陸地物種滅絕。”劉鋒說(shuō)，“我們的研究發(fā)現(xiàn)，植物在二疊紀(jì)末大滅絕期間并沒(méi)有滅絕，其中包括我們研究的阿里型花粉的母體植物。雖然這些植物沒(méi)有滅絕，但依然影響并帶動(dòng)了其他物種滅絕。”

為此，劉鋒團(tuán)隊(duì)對(duì)剖面地層的有機(jī)碳同位素和汞濃度進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)指標(biāo)的異常波動(dòng)與化石花粉中出現(xiàn)大量香豆酸和阿魏酸的層位基本相當(dāng)，進(jìn)一步確認(rèn)二疊紀(jì)末期全球紫外線輻射增加可能是由當(dāng)時(shí)劇烈的火山活動(dòng)引起的。

“空氣中紫外線輻射量增加對(duì)整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。由于紫外線不僅對(duì)植物生殖細(xì)胞具有很強(qiáng)的殺傷作用，也會(huì)對(duì)葉肉細(xì)胞造成破壞。”劉鋒介紹，為了抵御紫外線對(duì)葉肉細(xì)胞的破壞，植物體會(huì)在葉片中大量合成葉黃素、香豆酸和阿魏酸等，相應(yīng)減少葉綠素合成，從而導(dǎo)致植物體光合作用減弱，進(jìn)而使得植物體對(duì)于溫室氣體的吸收能力減弱，進(jìn)一步促進(jìn)了二疊紀(jì)末期火山噴發(fā)引起的全球溫室氣體的增加。

另外，對(duì)于食草動(dòng)物和昆蟲來(lái)說(shuō)，葉肉中的葉黃素、香豆酸和阿魏酸等是一種很難消化且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較低的化合物。“因此，紫外線輻射增加間接影響了陸地食物鏈，可能是導(dǎo)致二疊紀(jì)末陸地食草動(dòng)物和昆蟲大滅絕的主要原因。”劉鋒說(shuō)。（沈春蕾）