恐龙时代是由漫长的雨季开启的吗?-深度-知识分子

恐龙时代是由漫长的雨季开启的吗?

4天前
导读
2亿3200万年前,地球气候曾在较长的一段时间内都处于温暖潮湿的状态下,这可能使地球上的生命形态产生了很大的改变。


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意大利多洛米蒂山的三叠纪岩石是地球历史上有过一段出人意料的潮湿时期的明证。图片来源:Arterra/Universal Images Group via Getty



2亿3200万年前,地球气候曾在较长的一段时间内都处于温暖潮湿的状态下,这可能使地球上的生命形态产生了很大的改变。


Alastair Ruffell孩提时代的家位于英国的萨默塞特郡,他注意到那里的岩石上有一些不同寻常的地方。那些来自三叠纪的沉积物有2亿多年的历史,大多呈暗橘红色,这表明它们是在地表被烈日炙烤的时期形成的。至此,还没有什么好奇怪的。但是,在萨默塞特Lipe Hill的露头(地表基岩)上有一道贯穿红色岩石正中央的灰色细条纹,这表示曾经有过一段干旱沙漠消失、整片地区变为沼泽湿地的时期。出于某种原因,极度干燥的气候变得潮湿,并且持续了一百多万年。


Ruffell最早是在20世纪80年代中发现这些露头并注意到气候的改变的,虽然他对此很感兴趣,但当时这位年轻的地质学家还有博士学位的项目需要完成,于是把这个“三叠纪之谜”抛到了脑后。直到1987年,机缘巧合之下,他遇到了同样年轻的古生物学家Michael Simms。在博士后研究期间,Simms发现了在晚三叠世Ruffell注意到的神秘潮湿时期发生过灭绝的证据。80年代末,二人提出,他们的发现互相之间是有关联的。但多年来,他们的研究成果一直被学界无视。


三十年后,越来越多的人认识到他俩是正确的。晚三叠世的时候发生过一些怪事,而且不仅仅是在萨默塞特。在大约2亿3200万年前被称作卡尼期(Carnian age)的地质时期里,几乎到处都在下雨。地球在经历了数百万年的干燥气候之后,迎来了一段持续100万到200万年的湿润期。几乎无论是在任何地方,只要是地质学家发现的来自那个时期的岩石,都留有潮湿天气的迹象。这段所谓的卡尼多雨期,在时间上与一些大规模演化转变的发生重合。


也许最引人注目的一点是,卡尼多雨期可能与早期恐龙的演化有时间上的重叠,这个一开始还很罕见的爬行动物类群,在那段时期逐渐演化出多种多样的形态,并开始主宰陆地生态系统。卡尼期或许为后来那些夺人眼球的恐龙类群(如剑龙与暴龙)的出现铺平了道路。


其它生物类群的形态在卡尼期开始与结束时也极为不同:造礁珊瑚和海洋浮游生物都变得更加“现代”,即在演化上更接近现存的类群。第一批哺乳动物甚至也可能是在这一时期内出现的。“这几乎就像是某些元素在古老与现代世界之间的转折点。”Simms说道。


在游离于主流学界视线之外多年以后,卡尼多雨期正成为一大研究焦点。2017年5月,科学家齐聚德国代尔门霍斯特的高等研究院,参加首个以该地质时期为主题的学术会议。在那之后,《伦敦地质学会志》Journal of the Geological Society以它为主题发布了两份特刊。在过去的十年里,许多研究者开始了对卡尼期岩石的深入研究。他们想了解气候发生变化的原因,以及这种变化为什么会导致如此剧烈的演化转变。现有的证据指向了大规模的火山喷发。


对于一件在80年代几乎算是偶然发现的事件来说,这样的转折具有非凡的意义。

无心插柳

这一切的开端源于Simms前往英国利物浦大学从事博士后研究(他现在供职于霍利伍德的北爱尔兰国家博物馆)。他当时的研究对象是海百合:一类外观与花或羽毛类似,演化上与海星接近的海洋动物。


他关注的主要是生活在三叠纪(2亿5200万年到2亿100万年前)的海百合。这个地质时期处于地球历史上两个最为动荡的时代之间:它始于二叠纪末期的大灭绝事件,终于三叠纪-侏罗纪之交的另一次大灭绝。


但很快Simms就发现了一些意料之外的东西。“到1987年年底的时候,我已经很清楚,三叠纪的海百合经历过大规模灭绝。”他说。但是海百合灭绝的发生时间要比三叠纪结束早数千万年。因此,灭绝事件发生在卡尼期:三叠纪七个分期中的第五个。


Simms对这个发现产生了兴趣,于是他回到自己读博的伯明翰大学做了访问。在那里,使用他原来办公室的人是Ruffell(现任职于贝尔法斯特女王大学)和古生物学家Paul Wignall。


Ruffell的研究对象是年代更晚的白垩纪沉积物,但出于兴趣爱好,他也研究被称作麦西亚泥岩群(Mercia Mudstone Group)的三叠纪岩石。这些岩石反映的主要是干旱的气候,但他在其中卡尼期的部分发现了一层薄薄的灰色砂岩。它们富含如鲨鱼牙齿之类的化石,无疑是河流或三角洲的遗迹。“在那无休止的可怕干旱的夹缝中,很可能存在一个相当宜人的环境。”Ruffell说道。


Simms在三人畅谈之时,提到了卡尼期的海百合灭绝。根据他和Wignall的说法,Ruffell的回答是:“那是个多雨的时期。也许海百合不喜雨水。”Ruffell只是这么随口一说,他本人都不记得了,但Simms对他的话产生了共鸣。气候变化能够引发灭绝,因此卡尼期的异变也可能有这个因素在里面。


Simms和Ruffell开始了深入的调查研究,并在德国、美国、喜马拉雅山及其它地区的卡尼期岩石上,都发现有证明潮湿时期存在的线索。除此之外,经历灭绝事件的不仅仅是海百合:两栖动物和陆生植物的物种数量也都减少了。1989年,二人把证据整合起来,报告了他们命名为卡尼多雨期1(Carnian pluvial episode, pluvial是表示雨的地质术语)的地质事件。


除了一些批评者,他们的研究结果并没有在学界掀起多少波澜。“我记得有一两个颇具资历的研究者认为我们的观点很荒谬。”Simms说。


1994年,一支由荷兰乌特勒支大学的Henk Visscher领导的团队发表了一篇措辞严厉的反驳。他们声称,尽管有部分地区可能在卡尼期变得多雨,但大部分环境仍然是干旱的2。Visscher的论点是,与其说雨量增加,Simms和Ruffell的数据也可以用“高地下水位”来解释。


看到自己的观点不被学术界接受,两个人改变了研究方向。“我们就是接着去做其它各种各样的事情。”Simms说。他自己开始了地质学与古生物学的职业生涯,而Ruffell则成为了法庭地质学的专家。

卡尼期的地球

然而,卡尼多雨期这个概念并没有销声匿迹。欧洲,特别是意大利的地质学家仍在继续收集2亿3200万年前存在潮湿环境的证据。各种巧合开始汇聚到一起。


晚三叠纪时候的“世界地图”看上去和现在的没有任何相似之处(详见“变革之际”一图)。当时所有的大陆块体都连在一起,形成一个叫作泛大陆的“超级大陆”。泛大陆,尤其是它内陆地区,气候炎热而干燥。陆地生态系统的优势物种是爬行动物(包括最早的恐龙),花草和鸟类都还没有出现。

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来源:A. Ruffell, J. Dal Corso & M. Benton Geoscientist 28, 10–15 (2018).

同样,哺乳类也还没有演化出来,但卡尼期对于它们来说可能就是个转折点。2005年,加尔各答印度地质勘探局的P. M. Datta描述了一颗来自印度卡尼期岩石的哺乳动物牙齿3。而在德国卡尼期岩石里发现的另一颗牙齿可能也属于哺乳动物4


哺乳类的起源是一个极具争议的话题。现就职于英国利兹大学的Wignall认为,它们可能是在卡尼期出现的,但也不排除有更早的、尚未被发现的哺乳动物。很多古生物学家的观点是,严格意义上的哺乳类直到几百万年后的侏罗纪才演化出来。如果这种观点是正确的话,那么来自卡尼期的化石就不是哺乳动物的,但它们还是有可能属于哺乳类的祖先。


不管哺乳动物是什么情况,过去十年左右时间里的一系列发现,为其它演化转变提供了强有力的证据。2013年,有研究报告称,一类叫作钙质超微浮游生物的海洋生物是在卡尼期起源的5。这些单细胞生物长有碳酸钙构成的硬质外壳。如今,它们会形成大规模的水华,并被称为“海洋之草”。它们在大气与海洋之间的碳循环里也起着重要的作用。


另一个在卡尼期发生重大变化的类群是石珊瑚,这些生物一手打造了我们今日所见的巨大珊瑚礁。石珊瑚在三叠纪早期就已经出现了,但直到卡尼期或那之后不久,它们才开始构建大型的珊瑚礁。来自珊瑚化石的同位素数据及其它证据表明,石珊瑚可能也是从这时候开始,与现在为它们提供养分的光合藻类建立共生关系的6

火山时代

并不是所有人都相信地球在卡尼期经过了一个温暖、潮湿的阶段。“我还是有疑问。”Visscher说。他承认当时的气候发生了变化,但认为降水可能变得更具有季节性,从而导致了一年生植物的出现。类似地,德国哥廷根大学的Matthias Franz发现,至少在部分欧洲地区,卡尼期异常的湿度可能是由海平面上升造成的7,但他不清楚这是否能解释其它地区的气候变化。无论如何,Franz还是强调这段地质时期很重要。“很显然,那时候发生了某个事件,”他说,“问题在于具体发生了什么。”


Simms和Ruffell之前就曾提出火山喷发是让气候产生变化的原因,而且地质学家也有个首选对象:一场产生了巨量玄武岩的大灾变。这片岩层从加拿大不列颠哥伦比亚省一直延伸到美国阿拉斯加州,有些地方厚达数千米。

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德国南部地区发现的晚三叠纪恐龙的艺术想象图。图片来源:伦敦自然历史博物馆/Alamy

这些熔岩被命名为兰格利亚地体(Wrangellia Terrane,名称来源于阿拉斯加的兰格尔山脉),它们是一个大火成岩省(Large Igneous Province,LIP)的一部分。这个LIP形成于大约2亿3200万年前,当时,该地区的火山在几十万乃至数百万年间喷出了大量的岩浆。根据意大利帕多瓦大学的Andrea Marzoli的说法,这些火山起初是在海底的,但随着岩浆的持续喷涌而浮出水面。


如果这些大规模的喷发是发生在卡尼多雨期的话,那么它们可能释放出足够让全球变暖的二氧化碳。而变暖又会使海洋与河流的蒸发量增加,从而产生更多的雨水。因为这一时期的主要变化是全球变暖,一些科学家认为卡尼“多雨”期这个命名颇具误导性。


利兹大学的地质学家Jacopo Dal Corso说:“自然而然地,我们需要去了解释放到大气中的二氧化碳,是否引发了世界各地降水量的增加。”他的团队分析了来自意大利阿尔卑斯山区的富碳卡尼期地质材料样本。2012年,他们报告称,卡尼多雨期期间的碳-13(碳的重同位素)水平异乎寻常地低8,这表示有大量较轻的碳同位素碳-12被释放到了大气里,而兰格利亚的火山喷发可能是这些碳的首要来源。


后续研究也支持了Dal Corso的论断,即由于火山喷发,卡尼期的碳循环受到了一百万年左右的扰乱9。不过,一些科学家认为两者间的联系尚无法盖棺定论,这是因为对岩石年代的测定仍存在不确定性,因此我们无法很肯定地说,兰格利亚大喷发与卡尼期的气候及演化改变是在同一时期发生的。Wignall认为原因在于对卡尼期的研究还不够彻底,而且时间上的不确定性可以长达一百万年。Marzoli计划在明年夏天对兰格利亚进行采样,一部分目的就是弄清楚它的年代。他认为由于没有其它备选对象,兰格利亚仍然是可能性最大的解释。


与此同时,在卡尼期发生的演化转变的清单也越来越长。


其中最引人瞩目的说法是,卡尼期对于恐龙的快速演化扩张至为关键。有证据显示,在大约2亿4500万年前,在卡尼期之前恐龙就已经出现了,但这些最早期的恐龙十分稀少,只有少数几个物种为人所知。


有一点是很清楚的:恐龙发生了巨大的变化。在卡尼期刚开始的时候,它们还都是体型很小、双足行走的生物。而到了卡尼期末期,两个主要的恐龙类群都已经出现了:鸟臀类,包括更晚些时候演化出来的剑龙和三角龙;蜥臀类,后来演化出像腕龙那样体型庞大、长脖子的种类,以及包括霸王龙和鸟类在内的兽脚类。通过使用来自阿尔卑斯山区的年代明确的样本,英国布里斯托大学的古生物学家Mike Benton和合作者一起构建了晚三叠纪动物足迹的高分辨率时间标尺,从而对恐龙的部分演化转变做了记录10。卡尼期早期,占主导地位的是一种叫作镶嵌踝类主龙crurotarsans的爬行动物,但到了卡尼期结束的时候,恐龙已经变成了优势物种。这样的改变只用了400万年,而且和卡尼多雨期重叠。在快速崛起之后,恐龙在长达1亿5000多万年的时间里统治着这个星球。


卡尼期发生了如此之多的变化,再加上岩石年代测定的不确定性,对于研究者来说,要构建出一幅该时期气候变化及其如何影响生态系统的全景图,也是困难重重。但卡尼期已经是热门话题了。“在这段时期发生了很多有趣的事情,其中之一是从脊椎动物一直到浮游生物都涌现出了现代类群。”Wignall说道。


这是生命史上相当重要的转型期之一。当时,地球还处于二叠纪末大灭绝后的恢复阶段,而卡尼期见证了新的生物类群的崛起,它们将在之后站上这个星球历史的顶点。


这片研究领域的两位开拓者对已发生的一切感到既惊讶又高兴。Simms现在满足于以旁观者的身份关注它的研究进展,但Ruffell又重新开始研究卡尼期地质学了。颇具讽刺意味的是,Ruffell说,他对卡尼期的研究只是兴趣爱好。用他自己的话来讲,这段动摇了演化史的精彩地质时期,是被“几个原本就完全不应该涉足这个领域的家伙”发现的。

参考文献:

1.Simms, M. J. & Ruffell, A. H. Geology 17, 265–268 (1989).

2.Visscher, H. et al. Rev. Palaeobot. Palynol. 83, 217–226 (1994).

3.Datta, P. M. J. Vert. Paleontol. 25, 200–207 (2005).

4.Lucas, S. G., Heckert, A. B., Harris, J. D., Seegis, D. & Wild, R. J. Vert. Paleontol. 21, 397–399 (2010).

5.Preto, N., Willems, H., Guaiumi, C. & Westphal, H. Facies 59, 891–914 (2013).

6.Stanley, G. D. Jr Science 312, 857–858 (2006).

7.Franz, M. et al. Glob. Planet. Change 122, 305–329 (2014).

8.Dal Corso, J. et al. Geology 40, 79–82 (2012).

9.Dal Corso, J. et al. Earth Sci. Rev. 185, 732–750 (2018).

10.Bernardi, M., Gianolla, P., Petti, F. M., Mietto, P. & Benton, M. J. Nature Commun. 9, 1499 (2018).


原文以Did a million years of rain jump-start dinosaur evolution?为标题发表在2019年12月03日的《自然》新闻特写上。





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