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(图)宇宙与生命:热室地球

千六百万年前,碳元素在大气中神秘增多,导致地球温度飙升。从此,在宇宙眨眼的瞬间,生命永远地改变了。

  古生物学家James Zachos 拿着一段记载着五千六百万年前在极热期(PETM)大西洋大变化的沉积物。白色的浮游生物贝壳在海底泥水中减少,更多的则变成红色。Zachos说,二氧化碳的含量不但在大气中升高,而且也涌向海水,使海水酸化,腐蚀了贝壳。

  很久以前,地球温度其实并不像现在这样高;五千六百万年左右以前的世界面貌,与现在截然不同。那时,大西洋还没有完全展开。各种动物——包括人类的祖先——可以从亚洲出发,经由欧洲大陆与格林兰岛抵达北美,整个行程都不会有冰雪阻挠;那之前,地球温度已经比现在要高得多。然而,随着新古世(Paleocene epoch)的终结和始新世(Eocene)的到来,地球温度越来越高——升温速度也越来越快。

  造成这一变化的原因是大量碳元素突发的地质性释放。目前,仍不清楚在古新纪―始新纪极热期(英文缩写为PETM.学界也称之为高温纪(fever period))排放到大气中的碳元素到底有多少。根据粗略估计,其总量相当于人类将地球上现有的煤、石油以及天然气燃烧完毕所释放的碳元素量。古新纪―始新纪极热期持续了十五万年多,直至地球重新掉吸收多余的碳元素。极热事件引发了干旱、洪水和虫灾,并导致部分生物灭绝。陆地上存活下来的物种——虽然它们的确繁衍生息——形态发生了巨大的变化。碳元素飙升虽发生在远古,它所引发的物种进化却影响至今,事实上,人类自身也深受这次进化的影响。而现在,人类正在重演这段历史。

  密歇根大学脊椎动物古生物学家Philip Gingerich认为,“我们应当将古新纪―始新纪极热期作为一次范例,予以高度关注——因为人类目前的所作所为正在影响着大气。”他说:“就好像你失掉了某个东西,花了成千上万年才重新找到平衡。”


 侏儒期:树叶化石上的洞孔表明,比格霍恩的昆虫数目与种类都增多了。说明二氧化碳和气温在PETM时都增高了。一些动物体积缩小。

  Gingerich与其他古生物学家共同发现了发生在古新纪末的生物剧变。而剧变的根源在于碳元素的变化。40年来,Gingerich一直在大角盆地搜集这一时期的化石。大角盆地地处高原,绵延数百英里,位于怀俄明州北部,西接黄石国家公园。通常,Gingerich会在盆地北部边缘一片名叫Polecat高台的狭长地带进行挖掘。波利卡特高台(Polecat Bench)已经成为他的第二个家:他的小农舍及目可见。

  某个夏日的午后,我和Gingerich驾着他那辆78年版的蓝色雪佛兰Suburban,沿着一条尘土路到达台顶,再继续开往南边的顶峰。从这里可以很清楚地看到灌溉的农田以及周围零星分布的油井。他解释说,在冰川时期,波利卡特高台是肖肖河(Shoshone River)的河床,那时它还集满鹅卵石呢。后来,肖肖河向东改道,它在黄角盆地上土质更柔软、年代更古老的沉积物上开辟出新的流域。同时,黄石河(Yellowstone River)在克拉克叉口(Clark's Fork)也发生着同样的情形。现在,波利卡特高台处于两条河流之间,高出河谷500英尺。一千年来,高台两侧不断受到风蚀,夏季的雨水流向凹凸不平的贫瘠之地。沉积物暴露在外。而这些沉积物来自新古新纪―始新纪极热期的沉积物正好在高台的南峰。

  Gingerich正是在这里发现了大量哺乳物化石。在半山腰处,一组百来英尺厚的红色沉积岩将山谷包围起来,看起来很像糖果手杖上的条纹。Gingerich在那组沉积岩中发现了最古老的奇趾类哺乳动物足迹化石,最古老的偶趾类哺乳动物足迹化石,还有真正的灵长类动物化石,它们分别包括马、牛以及人类。类似的化石在亚洲和欧洲也已经被发现。他们四处分布,好像无处不在。九百万年前,一颗小行星撞尤卡坦半岛,引发了一场地球灾难,学界普遍认为这次撞击造成了恐龙的灭亡。但是现在看来,地球仿佛是因为经历了另一次冲击而步入现在的体系。




现在,在干旱的的比格霍恩,铁锈色的氧化土壤记述着五千六百万年前的那场极热事件

  Gringerich研究古新纪―始新纪过渡期的前二十年,多数学者认为,那只不过是从一种化石到另一种化石的过渡期。1991年,两位海洋生物学家James Kennett和Lowell Stott对碳同位素——碳的不同形态——进行了分析以后,这种观点开始有所转变。这些碳的同位素是从南极洲附近的大西洋海底提取出来的。在来自这一时期的化石中有一种微小生物化石,被称作有孔虫类(简称forams)。其中碳的同位素中碳比例的巨大变化表明,短短的几个世纪内,有大量“新鲜”碳涌入海洋。它们也可能扩散到空气中,以二氧碳的形式吸收太阳能,使地球升温。氧的同位素形态则表明海洋温度从海面直到海底泥沙都升高了。而有孔虫类主要生活在海底泥沙中。


五千六百万年,大气中的碳含量为何会突然升高,至今仍是个迷。但无疑那是自然造成的。而今天,碳元素的增多,速度或许更快,而且是人为。

  二十世纪初期,同样表明一场地质变动的种种迹象相继在波利卡特高台显露。分别来自卡内基研究所和密歇根大学的两位年轻科学家,Paul Koch和James Zachos,从这些沉积物的每一层沉层中取样,样品长半英尺,含碳量丰富。同时,他们还搜集一种叫原蹄兽(Phenacodus)的原始哺乳动物的牙齿。他们分析了沉积物样品和这些动物的牙齿中的碳同位素比值,发现碳含量与在有孔虫类中一样升高了。很显然,古新纪―始新纪极热期曾是一个地球热量急剧升高的时期,它不仅影响了微小的海洋生物,同时也影响了大体型的陆地生物。此外,科学家还发现他们可以用碳含量的飙升——地球温室气体排放量的检测标准——在世界所有地区的岩石中去判断PETM。

  但是这些碳从何而来呢?我们知道目前排放到空气中多余碳的来源:人类。然而560万年以前,人类没没有产生啊。更别提汽车和发电厂了。貌似导致PETM碳含量飙升的原因很多,从碳量上来看,来源绝不只一个。在古新纪末,欧洲和格林兰岛开始分离,北大西洋开始展开。大量的火山灰喷发出来,导致了二氧化碳从海洋有机沉积物中释放。当然,这并不足以解释碳量急剧升高这一现象。这一沉积时期,可能曾发生过自然火灾,但是到目前为至,还没有从沉积岩内部发现证明这场大火的证据。也有可能曾经有某个彗星撞击在了碳酸盐岩(carbonate rocks)上,从而导致了碳的迅速释放。但是,我们仍然没有直接证据来证明这一影响。

  最初的假设是这样:大量的碳来自含甲烷水合物的沉积物中。这一假设目前仍最受欢迎。含甲烷水合物是一种表面像冰的混和物,其中水分子形成笼状架构,将一枚甲烷分子包裹在其中。水合物只有在极小范围内的低温高压条件下才才具有稳定性;今天,我们在北极冻土带、海底以及由连接大陆架与深海的斜坡中发现了大量含甲烷水合物的沉积物。在极热时期,原初热量——可能来自火山,也可能来自地球轨道轻微改变轨迹时,有一部分更接近太阳——可能使甲烷水合物融化,甲烷分子趁机从笼状架构中释放出来,蹦窜到空气中了。

  这一假设当引起警惕。空气中的单个甲烷分子能引起的地球温度升高是二氧化碳分子的20倍,那么一二十年以后,它氧化为CO?,从而在更长时期内释放热量。许多学者认为,这种情形现在仍有可能会发生。燃烧矿物燃料所释放的热量会使深海及北极冰冻中的甲烷大量逸出。

  Koch和Zachos最后从他们的实验数据中得出结论:极热时期黄角盆地年平均温度升高9华氏度——高于冰川末期的地球升温。这一数据略高于气候模型对21世纪地球升温的预测——但是如果人类在接下来的几个世纪中仍然使用矿物燃料,那么所导致的地球升温将会高于这一数据。气候模型还预测到,即使是在本世纪,全球雨型(rainfall patterns)都会严重失调——尤其是像美国东南部的亚热带地区。

  比格霍恩地区整个生物系统来了一次重新排列。Scott Wing,是史密斯森国家自然历史博物馆(Smithsonian National Museumof Natural History)的古植物学家。36年来,他一直在收集比格霍恩的树叶化石——但他没时间将这些树叶一一仔细研究。每年夏末,当他打开一箱又一箱的化石时,他就告诉自己,冷静点吧,乖乖呆在华盛顿吧,好好去做研究吧。但是下一年七月,他又忍不住回到这里,一边挖掘一边想着,“总会有奇迹的。”

  几年后,奇迹真的发生了。“我花了十年工夫来寻找这些化石。”Wing说。我们坐在坐在16号高速公路南方15公里处的一个山坡上,公路连接十眠镇与沃兰城,地处比格霍恩山脉以西。我们敲击着Wing的助手从一条沟壑里挖掘出的岩石。从远处的山坡上,你可以看见裸露的横向岩石条纹,红色中镶嵌着灰色和黄色,由此可推断它们来自极热时期。山谷处,一架钻孔泵正在作业,从这里却听不见机械作业的声音。如果你站在山顶,便可以看到好几台这样的机器。铁锤的敲打的旋律填补着我们谈话间的沉默——那打击声时断时续,像是音叉的共鸣从远方飘来,又像岩石碎裂时的咔咔声。如果你持续敲打某块岩石,一片树叶便会从两层分离的泥层中显现出来。有时,它就像一块奥利奥奶油夹心巧克力饼干。树叶保存十分完好。借助Wing的放大镜,你还可以观察到树叶上五千六百万年前被虫咬过的痕迹。

  当Wing发现第一块树叶化石时,他就立即明白它来自极热时期。他说:“其中有很多植物都是我从来没有见过的。”从他搜集的化石看来,在极热事件前后,这块盆地都是森林密布,其中长满了桦树,无花果树、水杉、橡树等像木兰一样的常青树种。这片土地曾经可能十分湿软,就像阿查法拉亚或奥克弗诺基沼泽地周围的土地一样。在古新纪和始新纪时的比格霍恩就像今天的佛罗里达州北部一样。

  但是Wing发现,在极热时期高峰期,这片土地的景观完全变了样。季节性干旱更加明显和广泛,类似美洲中部的热带森林。随着地球变暖,新的物种从南方遥远的墨西河湾沿岸迅速迁往这块盆地,跨越了大约一千公里的纬度。这其中包括很多豆类——非园林品种,它们是同一种属的不同灌木,有点类似现在的含羞草。大数多树叶都被昆虫啃食过。

  Wing和他来自俄亥俄州迈阿密大学的同事Ellen Currano所研究的树叶中,几乎百分之六十的叶片上都有小孔或昆虫爬行时留下的弯弯曲曲的印迹。有可能上升的温度促进了昆虫的新陈代谢,从而使它们吃得更多,也排泄得更多。也有可能多余的二氧化碳直接影响了植物;当CO?注入到现化温室中,植物会生长得更快,但蛋白质含量却降低了,从而使叶片的营养更低。类似的事情也可能发生在极热时期地球这个大热室中——昆虫必须吃更多的植物以保证生长。

  但是,Wing说,极热时期那些被昆虫咬过的残损叶片跟古新纪的长辈们大小相差无几。因为降雨量下降了40%(当水分越来越稀少,植物就会缩小叶片以减少水分流失)。同时,降水量减少也使得土地逐年变干,土壤中的铁被氧化,变为锈红色。接着,在极热期高峰期,红色土层消失了——Wing解释说,这倒不是因为气候总体变湿,而是降雨越来越集中,就像季风气候一样。盆地中的河流改道,流向村庄,带走地面的土壤。

 在比利牛斯山东部,BirgerSchnitz发现了更有力的证据,能表明极热期发生过灾难性的大洪水。他和他的西班牙同事Vcitoriano Pujalte(来自比尔巴鄂的贝斯克一所大学)在一块岩层底部发现了标志性的碳穗。尽管这片岩石区现在位于高山处,但当时却很可能是处一片平坦的河岸。大水将一大片鹅孵石从山里冲击下来,并将它们带到涝源上。科学家们认为,这片平地由此而扩大了几千平方公里。其中有些鹅孵石长达两英尺,只有巨大的水流冲击力才能将其挪到此处。经过改道的河流几个世纪的沉淀,它们如同高温大气环境中的能量在化石上留下的印证。

  豆荚树在比格霍恩繁盛之时,蓬突藻属也正在海域中蔓延。蓬突藻是甲藻中形状十分突出的一个种属——它是一组单细胞的浮游生物,其中一些演化成现在的现在的有毒生物,可引发红潮。所有甲藻都拥有两个鞭状体,它们在水中抽打,推动自身前进。荷兰Utrecht大学教授Henk Brinkhuis曾给我做过一个让人印象深刻的示范:他将一只胳膊夹在两腿之前,另一只则绕过略微突出的肚子,然后两只胳膊同时摆动。冬季,蓬突藻的细胞会缩成硬囊,沉到海底泥沙中去。春季来临,只要轻轻拍打一个各个包囊,它们就会像暗门打开——Brinkhuis将一根手指戳在脸颊上,发出咯咯声。细胞便破囊而出,游上海面,包囊被留在了海底。五千六百万年后,Brinkhuis和他的同事Appy Sluijs得以研究这些沉淀物中的包囊——这些绽开的包囊打开了通往如外星生物般的古生物研究之门。在Brinkhuis的办公室,有一张海报,上面写着:“我所有的知识都来自《星际旅行》”

  关于极热时期以前,Brinkhuis和Sluijs只在亚热带地区找到了蓬突藻。但他们却发现,在极热时期的沉积岩中,蓬突藻便无所不在了——这说明那时海水已经普遍升温了。在古新纪里,北冰洋的海水温度在夏季就已经达到64华氏度了;而在极热时期,又飙升到74华氏度。Brinkhuis和Sluijs通过对新泽西州发现的一块岩石分析,得出结论:倘若在那里游泳,一定像今天在地中海,或者是加勒比海游泳了。现在,深海之底的水温仅在零摄氏度以上,但是在极热时期,却在60华氏度左右。

  海水吸收了使地球温度升高的二氧化碳而呈酸性,而下个世纪,随着二氧化碳的排放量再次增高,此类情形仍会发生。深海中的沉积物已经和比格霍恩盆地的片层岩石一样,明确证明了极热期的存在。2003年,Sluijs跟随James Zachos带领的一支队伍沿鲸湾港徒步行走了一圈。鲸湾港是南大西洋海底的山脉。他们顺着山脊侧腹搜集岩石。他们在甲板上每打开一块岩石,都会立即看到极热时期的岩层。“真是出人意料啊,”Sluijs说,“不过是些红色的泥巴嘛。”

  这些红色的泥巴之所以引人注目,是因为它们缺失了一种成分:白色的碳酸钙。正是这些碳酸钙,使得极热期上下两层的岩石颜色都要浅一些。极热时期,酸性的海水将碳酸钙分解了。如此,有人可能想编造一个关于道德的寓言了:酸性的海洋将无数生命赶出了海洋,还分解了珊瑚、蚌以及有孔类虫的贝壳——科学家预测,在二十一世纪,这一幕又将重新上演。但是极热时期的情形比这复杂得多。特提斯海(Tethys),地中海的前身,横切整个中东地区。尽管这片海域曾经似乎遭受过悲惨的命运,但极热时期的物种灭绝却更让人出乎意料:它使生活在海底泥沙之中的有孔类虫种类消失了一半。这种是四海为家的物种,能够很好地适应各种环境,它们本应能够战胜极热时期带给它们的一切打击。

  至于海水的酸化度,Zachos和他的同事们估计,约有3万亿吨的碳首先迅速释放到空气中,另有1.5万亿吨则是缓慢释放。这些总量为4.5万亿吨的碳相当于现在地下所储藏的矿物燃料的含碳总量;先释放的3万吨相当于近三个世纪以来人类排放到空气中的碳含量。尽管这一数据并不是最终的定论,但科学家们认为极热时期的释放速度还要慢一些,花了几千年。

  碳的排放速度无论怎样低,也需要更长的时间进行地质转换。海底的碳被分解,中和了酸性,从而使海水可以吸收更多的CO?。经过几个世纪甚至上千年的快速释放,大气中的二氧化碳含量高峰期终于过去。同时,分解到雨滴中的CO?,滤走陆了上岩石中的钙,并将它们冲到海洋中去。钙在海洋中与碳离子结合,产生出更多的碳酸钙。这个过程被称为侵蚀。它无时无刻不在发生着,只是在极热时期发生得更快,因为那时的气候很炎热,雨水酸度也高得多。雨水逐渐将空气中多余的CO?带走,最后腐蚀了海底的石灰石。气候慢慢恢复到先前的状态。Zachos说,“这就好比我们今天燃烧矿物燃料。我们将几千年来形成的物质在极短的时间内释放到地表。最终这个循环系统会将它们带回岩石,但那需要花成千上万年的时间。”

  MattHuber是普渡大学的气候建模者。这位致力于对极热时期的研究者预测到如果人类耗完所有的矿物燃料后将会发生的一切。Huber是借助国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research)在科罗拉多建造的一个气候模型进行研究的,而这个模型对二氧化碳的敏感度极低。然而,他得到的结果仍然是悲剧性的。根据他“对极坏情况给出合理的最佳猜想”(他猜想的最坏结果是“地球大燃烧”),约有一半的居住区将会变得无法忍受。中国、印度、欧洲南部以及美国的大片地区,夏季气温将会超过100华氏度。如此日复一日,年复一年。

  气候学家倒不经常谈及如此遥不可及的预言。Huber认为,部分是因为怀疑,那些过分的科学不确定论者们经常指责他们杞人忧天。他说,“我们尽力发表着自己的观点。一旦我们看到不幸之事,都希望能控制局面。‘中间道路’远比人们想象的要糟糕。”

  “如果我们沿着这条路继续走下去,后果的确不确定。我们正在走向始新纪。我们清楚那意味着什么。”

  极热时期,热带物种纷纷向南极迁移。所有大陆上的动物和植物都越过大陆架,混杂在一起。有蹄动物,也即马和鹿的祖先,在比格霍恩盆地开始出现。紧接着,可能由于气候再次变湿,树冠开始遮蔽奔跑者所喜爱的开阔之地,于是真正的灵长动物出现了。

  人类与其他所有现存的原始生物一样,都是极热时期原始生物的后代——就像马、貘以及犀牛等奇趾类动物来自某个极热时期的祖先,或像鹿、牛、山羊等偶趾类反刍动物来自另一祖先一样。这些突然出现在比格霍恩的物种均来自亚洲大陆。在亚洲大陆上发现的化石样本比格霍恩稍早一些。这些物种肯定又有各自己的新古纪祖先。但是目前为止,我们还没有能找到载有灵长类动物或马的新古纪化石——Gingerich告诉我说,这没不是因为没有尽力去寻找。

  在极热时期,一些动物发生了奇怪的变化:它们变得矮小了。比格霍恩的马变得只有暹罗猫那么大;随着碳从空气中撤回,它们再又变大。目前尚不清楚到底是热量还是CO?本身致使它们体积缩小。但是,Gingerich认为,我们可以由此得出结论:变化的环境能引起动物的快速进化。四年前,当他刚来到比格霍恩,他想知道这些马和灵长动物来自何处。而现在,他认为他们和偶趾动物一样来自极热时期——这三类现代动物所具有的显著的特征都可以追溯到那个时期,并且是在碳元素释放到大气中的适时期内所引发的进化而造成的。

  新的技术可能会制止一场高温时代的来临。图为美国弗吉尼亚西部一家发电厂的测试系统。它可以用来检测二氧碳的排放量。但是在政府出面干预以前,公司不会采用如此最贵的设备。

  五千六百万年后,谁会想到那时与老鼠差不多大的灵长动物会独领风骚呢?他们驯化了同样来自极热时期的其他物种——马、牛、猪、山羊——并将他们带到世界的每一个角落。他们脱离了农耕社会,进入全新的生活方式。他们的生活模式多种多样,但无一依靠矿物能源的驱动。当我和Gingerich开着车在波利卡特高台上颠簸前行的时候,我们穿过荒无人迹的高原上茂密的草丛,看到钻油泵起起落落,将白垩纪的石油提取到地球表面。它们的身影遍布整个比格霍恩。东边,粉河盆地(Powder River Basin)中,巨大的铁铲挖掘着古新纪的煤炭,这些煤炭维持着美国五分之一的家庭用电。

  自18世纪以来,矿物燃烧已经释放了三万亿多吨碳——或许不到地下埋藏的或极热期释放的十分一。至于假如我们烧完所有矿物燃料以后会发生什么,我们不得而知。(碳排放量去年再次打破历史记录)或许,我们会像我们的祖先一样,来一次革命性的进化;也或许,像其他所有生物所遭遇的一样,我们将会迎来一次人类大灭绝。极热时期的故事几乎不会让我们从长远出发,作出别的选择。千万年以后,人类将何去何从,地球上整个生命模式又将怎样背离它应有的发展模式——仅仅取决于我们今天在短短几个世纪内所选择的生活方式。

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