[小科普：随我看地球-III] 第五次地球生命大绝灭 章纪君 大家可能知道我们这个地球形成已经有 46 亿年的历史。在起初的数亿年里，地球曾经是一个火球，没有水，没有空气， 没有生命。直到四十四亿年前，由于地球的冷却，才有了岩石，有了水，有了空气， 有了碳，生命才从最原始的状态逐渐发展起来。2015 年，有人在澳大利亚西部冥古代(Hadean) 41 亿年的岩石中找到了生物的残留物质; 2017 年，科学家在加拿大 42.8 亿年前的岩石上也发现了微小的条状和管状生物体，所以保守估计，地球上的生命应该可以上溯到 43 亿年左右。在我们这个蓝色地球的生命历史上，有大大小小数不清的灾难，然而，最大的灾难有过五次，也就是我们通常说的五次大规模的生物绝灭期，其中距离我们最近的一次绝灭期是发生在 6,500 万前，也就是我们通常所说的恐龙绝灭期，或叫第五次绝灭期。这次大绝灭标志着中生代的结束和新生代的开始，换句话说，就是爬行动物时代的结束和哺乳动物时代的正式诞生。此次绝灭对地球带来的影响非常深远，不仅造成陆地上非飞行类的动物几近灭绝，而且造成海洋中所有浮游和游泳动(植)物的直接消亡，也包括了十分微小的浮游生物，从而一度把全球海洋带入了一个荒凉的“奇爱海洋 Strangelove Ocean”。值得一提的是，第五次绝灭期并非最大的一次，最大规模的一次是在 2 亿 5 千万年前的二叠纪/三叠纪的界线上，即是第四次绝灭期，此次造成了 90%以上的地球生命绝灭。然而，最有传奇色彩的，最被人津津乐道的当属第五次。 众所周知，恐龙曾经是中生代三叠纪，侏罗纪，白垩纪的霸主，横行地球约 1 亿 6 千万年，然后突然诡异地消失，成为地球生物进化史上的一个谜。对于这次大绝灭的原因科学家们有过各种假说，众说纷云，比如，星体（陨石）碰撞说, 造山运动说, 气候变动说, 海洋潮退说, 火山喷发说, 温血动物说, 自相残杀说, 压迫学说, 当然其中最有名的，最被广为接受的应算是“星体撞击说”了。我们这次交流的内容主要聚焦于这个“星体(asteroid)撞击假说”上。 关于恐龙的绝灭, 早在 1956 年, 有一个叫 Max W. De Laubenfels 的美国俄勒冈大学教授，曾经在 “古生物学杂志“上撰文说：恐龙的绝灭是铁陨石造成的, 他推测此陨石直径约 100 米, 重 3000 万吨, 相当于 20 万个广岛原子弹。可惜当时大家都对他不屑一顾，没有人把他当回事。直到1980 年加州大学柏克莱分校的 Luis Alvarez 和 Walter Alvarez 博士父子两人提出陨石撞击假说后(即 Alvarez 假说), 才被大家重视起来. Alvarez 博士父子提出，在 6,500 万年前，有一颗直径为 10 公里长的陨石撞击地球，因撞击而造成的火山口，直径达两百公里，释放出 42 万亿吨(4.2x10^23)黄色炸药当量 1 亿兆吨的能量，相当于投在广岛和长崎原子弹能量总和的 10 亿倍。
加州伯克莱大学的 Alvarez 父子在意大利 Dubbio 考察白垩纪/第三纪的（K/T）界线 (左)．意大利 Dubbio 的 K/T 界线的岩缝(seam) (右), 认为远在意大利的地层也受陨石撞击的影响 那么，这颗巨大的陨石砸在什么地方？这个故事还得从上世纪五十年代初说起。 早在 1951 年，墨西哥石油公司在墨西哥 Yucatan 半岛开凿石油钻井时，在 Chicxulub 附近約 1.3 公里深处挖到了相当厚的独立存在的安山岩层，这种岩石有别于附近地区的沉积岩。安山岩是一种喷出地表的中性火山岩。它既可以由地球內部地幔物质喷发而成，也可以由强力撞击地壳而喷发产生。尽管当时有人发现了这个奇特的现象，但是没有人会想到过这里曾藏匿着一个惊天动地的故事。
陨石撞击位置图：墨西哥 Yucatan 的 Chicxulub，故称 Chicxulub 陨石坑
陨石高速撞向地球的想像图
墨西哥 Yucatan Chicxulub 陨石坑全景图
陨石坑的重力异常图
1996 年 NASA 探测到的 Chicxulub 陨石坑空间雷达图 1978 年，地质学家Glen Penfield 在 Yucatan 半岛从事石油探勘工作时，再次发现这个位于 Chicxulub 的 陨 石 坑 。在 Chicxulub 地 区进一步的地质调查发现了冲击石英 (tektites 和 microtektites)，环形的重力异常，玻璃陨石等地质证据，可以证明 Chicxulub 陨石坑是由撞击事件造成。从岩石的同位素研究得知，Chicxulub 陨石坑的年代約为 6,500 万年前。基於其形成的年代与規模，Chicxulub 陨石坑常被认为是造成白垩纪末生物灭绝的原因。根据 Glen 的推测，陨石坑整体略呈椭圆形，平均直径約有 180 公里，是地球表面最大型的撞击地形，此坑埋藏在海底地表之下。 上世纪90年代， 美国 Woods Hole 海洋研究所 Bill Berggren 的研究团队也在那里进行过科学钻探，没有钻到陨石，但钻到了大量的撞击石英球，也证明此处有撞击迹象。我，Berggren 和哥伦比亚大学的 Ken Miller 于上世纪九十年代初一起研究过美国新泽西州外海陆陂始新世晚期(late Eocene, 3,800-3,500 万前）的陨石撞击研究, 有趣的是那里还是一个多次撞击地。 1996 年，一个美國加州的研究团队，包括 Kevin Pope，Adriana Ocampo 以及 Charles Duller，使用卫星影像展开研究。他们发现环状地形上分布着陷洞构造，这些下陷的洞或天然井被认为是撞击坑边缘的滑动与崩塌所造成的。还有一些研究宣称該撞击构造还有另一个大坑，直径为 300 公里。 Chicxulub 撞击事件同时也引发了大规模的海啸，造成全球性的火风暴。巨大的撞击波可能还引发了各地的地震及火山。撞击事件造成大量的高热灰尘进入大气，污染大气，长期遮蔽阳光，妨碍植物进行光合作用，这样一来，无论是食草动物、还是食肉动物也都跟着灭亡，造成生态系统的瓦解。撞击事件也可能造成大量的二氧化碳进入大气层中，形成明显的温室效应。 有人还认为该撞击很可能引起了地球自转和公转特征的改变，例如脱离原有轨道，日地距离的变化，导致太阳光照强度下降，同样会影响植物的光合作用，影响动植物的生存环境。 2016 年，一个科学钻探项目再一次在 Chicxulub 撞击坑的顶环深处进行了钻探，并获取岩心样本。他们证实，构成峰环的岩石经受了巨大的压力和作用力，并在短短几分钟内就从巨大的热量下融化，并在巨大的压力作用下从其正常状态震荡到现在的形态。峰环是由花岗岩组成的，这一事实也很重要，因为花岗岩起源于地球深处，并在巨大的压力作用下侵入到地表。花岗岩一般不应孤立地出现在海底沉积物中，所以可信的解释是陨石坑峰环的花岗岩是撞击后的侵入物。还有一些浅水蒸发岩，如石膏，钾盐，钠盐几乎全部被清除，推断这些东西几乎全部被汽化而进入大气层。此事件之后立即发生了巨大的海啸，所以在峰环正上方出现一层分选性很好的沙子层，这可以证明曾经有海流或海浪运动。
墨西哥 Chicxulub 陨石撞击时激发出的岩浆喷发图．Peak ring = 峰环，Crater rim = 陨石坑边缘，Seafloor = 海底， Seawater = 海水，Groundwater = 地下水， Mixing Zone =混合带，Microbes = 微生物，Central melt sheet = 中心熔化层 通过 2016 年调查，目前巳经确认 Chicxulub 坑的一些参数：陨石坑的直径大约 150 公里，深度 20 公里，撞击物直径 11-81 公里，时间是 6600 万年左右，落在 K/T 界线上，陨石类型为碳质球粒陨石（Carbonaceous chondrites), 地点在墨西哥 Yucatan 海上（细节参见下表）。
此外， 还有其他的一些研究也支持陨石撞击假说， 如： 1， 陨石坑附近出现大量的撞击石英球, 玻璃球颗粒，同时石英球从美国到陨石坑方向逐渐递增。2，美国中部曾发现在这个K/T界线上有大量的森林被烧毁。3， 坑中的金属元素铱(Iridium)的含量特别高, 为6ppb (particle per billion = 十亿分之一), 而地球地层中仅为0.4 ppb, 说明坑中的铱明显是来自于外太空的物质， 或者叫地外(extraterrestrial)物质。4， 在这个时代的琥珀里所包裹的古空气中，发现氧含量特别低，撞击引起的粉尘扩散至大气圈，脱离重力作用，导致地球处于持久的黑暗状态，光合作用减弱，氧含量降低。 强烈的撞击造成全球大洋水瞬间升温，导致游泳和浮游生物完全灭绝和浅水底栖动植物和非钻泥动物的灭绝。有人认为当时的海洋表面像煮沸了的开水一样。深水海洋中的底栖动物没有死亡，钻泥动物也幸存下来，躲过了一劫。这次陨石撞击事件导致80%以上的生物从地球上消失。
中生代恐龙Dinosaurs因为陨石撞击而灭绝
在白垩纪末天体, 地质, 大气一系列的异常变化后, 根据英国剑桥大学的同位素专家Shackleton在大西洋深海钻探384号钻孔中发现大洋灾难之后进入了一个灾难性气温上升期, 引发初级生产力低下，导致了一个荒凉的“奇爱海洋”形成。“奇爱海洋”一词原来是用于二叠纪/三叠纪界线上那次大绝灭时的海洋的，后来也被借用于第五次大绝灭时的海洋。对于古代的初级生产力我们可以用稳定碳同位素σ13C/12C比值来测定， 而且已经测得此时的稳定碳同位素σ13C/12C值相当低；至于古温度我们可以用稳定氧同位素σ18O/16O, 古生物种类，生物的生活习性，多样性和丰度来测定，σ18O/16O越大，代表气候越冷，此值越小，代表气候越暖，相当准确。
第三纪初Danian期的抱球虫Globigerina eugubina – 有孔虫中唯一一个大绝灭之后“突然”首次出现在K/T界线以上的浮游有孔虫种 有一点值得强调一下：这个时期的陆地海洋分布格局和今天的分布大不相同，当时基本上是一个大陆和一个大洋，分别叫泛大陆(Pangea)和泛大洋(Panthalassa)， 尽管当时泛大陆正处于各个板块分裂的初期， 然而，其撞击带来的连带性影响显然较强。自从1980年Alverez父子提出陨石撞击说后，著名旅瑞华人地质学家许靖华于1986年写了一本书，叫“大绝灭－The Great Dying”， 这本书综合了许许多多内容和证据，以证明K/T界线灾难性的灭绝事件。许靖华还是我一个外校博士导师。 上世纪七十年代，在地中海的深海钻探(DSDP)计划中，许老是首席科学家，撰写了一系列的调查报告和“古海荒漠－ The Mediterranean was a desert”一书。 与此同时， 这次大绝灭于上世纪八十年代引发了一场对达尔文(Charles Darwin)进化论的大辩论。达尔文的进化论(Evolutionism), 也叫达尔文主义和渐化论（Darwinism or Gradualism)。达尔文认为地球上的生命是由低级连续不断地向高级方向发展，最后演变成为人类－最高级的地球物种。在这次大绝灭中，我们发现生命的变化并不是连续不断的，而是有突然中断的，然后重新开始再进入一个新的生命繁衍期。前种现象我们称之为灾变论(Catastrophe 或 Catastrophism)。为此，许靖华教授曾于1986年在“地质学(Geology 14（6）)杂志上撰文写了一篇“达尔文的三个错误”, 批判达尔文的错误。 此文内容并没有什么错，但却引来了达尔文拥护者的反对。反对者甚至拿许教授在引用达尔文原话时在“species”前漏掉一个英文冠词”the”而反唇相讥 (达尔文的原文是：’⋯the species⋯’). 上世纪九十年代中期， 我们若干古生物专家闲聊达尔文三个错误的时候，就有一美国教授不屑一顾地说：“达尔文才只有三个错误啊, 不多么”. 古生物学家对在一定的时空范围內的种内演化是普遍认可的，我们在大量的化石研究中发现种内演化在自然界中是普遍存在的， 如三趾马演变为单趾马的理论就普遍为科学家所接受，然而种外演化的证据相对较弱。在这种情况下，科学家们常以“缺环(Missing Link)”来解释。当然，由于地质变化的复杂性，将来有可能会找到缺环的化石，也有可能永远不会找到， 也有可能就没有。 其实，达尔文也发现了生命演化不连续的问题， 但他认为是地层记录不完整和釆样不连续所致。这在其“物种起源(The Origin of Species, 1859)”一书中有专开一章, 题为“论地质记录的缺陷（On the Imperfection of the Geological Record)”专门讨论这个问题。总之，K/T界线上的突然大絶灭给达尔文进化论敲了不轻的一锤．给”进化论”一击的除了灾变事件外，还有中国云南澄江，湖北清江，加拿大伯格斯的古生代寒武纪（5.3亿年前)的”生物大爆炸－Cambrian Explosion”也给了达尔文重重一击。当然，生命演化的假说还有很多，还有一种已被广为接受的是由美国古生物学家Stephen Gould于1972年提出的间断平衡理论(Punctuated equilibrium). 此理论主张新物种的产生是由于基因突变和环境阻隔而产生的。 Gould曾就读哥伦比亚大学，在美国自然历史博物馆工作过，后在哈佛大学任教, 1983年， 我在哥伦比亚大学的Lamont-Doherty研究所每周一期的研讨会上第一次听他讲述他的间断平衡论．还有一种理论就是大家熟悉的圣经里的创造论, 亦即神创论(Creationism)，即宇宙天地万物是由神在六天内制造完成的(见圣经第一章：创世纪)。
生物演化图比较：上图为达尔文的渐变论（Gradualism), 下图为Gould的间断平衡论(Punctuated equilibrium) 注：文中所有图件来自网络 (Courtesy Internet Figures). 电邮: johnzhangpro@gmail.com. 欢迎指正和讨论 |
