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【前沿报道】Nature Geoscience:侏羅紀海洋生态的成功转变——从非生物控制转变为生物控制
2019-08-19 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  本研究通過大量數據建立模型,用兩個指標ASI和SCORara分別表示環境的變化和生物的演化,借助兩者關系發現非生物因素和生物因素對生物圈的重要性在1.7億年前的侏羅紀發生轉變,侏羅紀之後環境變化等非生物因素對于生物圈的影響降低,而生物間相互作用越來越重要,這種轉變與中生代中期鈣質浮遊生物的興起有密切關系。   

  在漫長的地球曆史中,環境的變化控制著生物的形成和演化,生物也不斷進化從而適應並改造環境。例如,在顯生宙,海洋化學和氣候的變化導致“文石質海”(高Mg/Ca比)和“方解石質海”(低Mg/Ca比)交替出現,許多鈣質海洋生物的初始生物礦物獲取、骨骼組成、骨骼生成和生長速度就受到海水Mg/Ca比和溫度的影響。化石記錄表明,顯生宙主要生物類群的體型、代謝水平和生理緩沖能力等特征呈現提升的趨勢,生物對環境的緩沖作用提高,特別是自中生代以來,生物滅絕率下降Bachan et al., 2017。不同于生物的進化,環境如氣候和海水成分表現出了一種周期性變化(Heim et al., 2015,這是否說明,隨著地質時間的推進,相對于生物相互作用,環境變化對于生物圈演化的影響是否已經下降? 

  最近,英國普利茅斯大學地理與環境科學學院、計算機電子與數學學院的學者與挪威卑爾根大學和德國埃朗根-紐倫堡大學的科學家合作,在Nature Geoscience上發表研究成果,討論了生物和環境兩者對于生物圈演化的重要性(Eichenseer et al., 2019)。 

  研究者用兩個指標分別表示海洋環境的變化和鈣質生物的演化:(1)文石質海強度(Aragonite Sea Intensity, ASI),由于文石和方解石的沈澱受到Mg/Ca比和溫度的影響,該指標表示文石相對于方解石沈澱的優先程度,能在一定程度反應當時的一些海洋環境參數;(2)文石質鈣質生物的環境占有率(Species Occurrence Rate of aragonitic genera, SCORara,該指標表示文石質生物在所有鈣質生物中所占百分比,反映了生物的演化。由于文石質生物更容易在文石質海洋中生存,因此這兩個指標的協同關系能夠反映環境變化對生物演化的控制程度。通過建立SCORaraASI的線性模型,並利用收斂交叉映射CCM(用以檢測非线性条件下的因果关系),可以评估非生物因素對海洋钙质生物的控制强度。 

  結果表明:SCORara關于ASI的線性模型在古生代具有顯著性,但在中生代-新生代沒有顯著性(圖1,圖2a、圖2b),利用CCM發現在奧陶紀-侏羅紀ASISCORara的顯著動態影響,表明文石-方解石質海環境與SCORara之間存在因果關系。CCM在侏羅紀初期(Sinemurian階)達到最大值之後逐漸下降,直至早白垩世,並在此後保持低水平(圖2c),这种下降表明侏羅紀后环境变化對海洋钙质生物生态成功的影响逐渐减弱。 

1  奧陶紀-更新世的85個階中ASISCORara的關系。陰影區域代表誤差範圍。實心點表示僅有一個數據的階,空心圓表示數據是從相鄰階平均而來的。藍紅色過渡和垂直條標記ASISCORara之間關系下降最強烈的時間(Eichenseer et al., 2019    

  这些研究结果证实了环境對钙质海洋生物演化影响变弱的假说,并给出了明确的时间转折点。文石-方解石质海與文石质钙质生物演替的相关性的下降主要分为两幕:第一幕在石炭纪-二叠纪边界附近,第二幕以中侏罗世为中心(圖2)。二疊紀海水具有異常高的CaCO3飽和度,有助于方解石形成。因此,當二疊紀CaCO3飽和程度升高時,具有方解石質骨骼的鈣質生物比ASI預測的表現更好,方解石質的生物群,特別是腕足動物,在石炭-二叠纪边界变得更加成功。尽管二叠纪的文石质海环境對文石质生物的影响减少了,但它们之间仍保持着同步的增减趋势(圖2b)。CaCO3飽和程度在三疊紀期間可能仍處于高位,文石質海環境繼續影響著中生代早期文石質生物的形成,之後卻並未如此。 

2  SCOR araASI之間的變化關系。a. SCOR araASI之間的相關性強度在C-P邊界和P-T邊界附近發生明顯變化,而在M-C時間中沒有發現明顯的變化點。b. 使用OLSGLS得到的線性模型表明古生代中SCORaraASI之間存在強烈的正相關,而在早中生代正相關性變得不那麽強烈,並且在中侏羅世後變弱。c. 使用CCM檢測SCORaraASI非線性條件下的因果關系。黑實線表示ASISCORara的动态影响力,侏羅紀CCM持續下降,這意味著ASISCORara的動態影響不斷減弱(Eichenseer et al., 2019    

  中生代中期,由于鈣質浮遊生物的興起,地球生命系統發生了革命性的變化Ridgwell, 2005。在鈣質浮遊生物廣泛出現之前,CaCO3的沈澱主要發生在大陸架,主要是底棲鈣質生物,如珊瑚和腕足動物。鈣質浮遊生物的進化成功,如浮遊有孔蟲、顆石藻和鞭毛藻,使得碳酸鹽工廠從大陸架延伸到了開闊大洋,由于鈣質浮遊生物具有更快的下沈速率,使得深海CaCO3沈澱增加,生物有機碳埋藏深度增加。有機碳更難以被氧化,使得耗氧量降低,導致中生代和新生代大陸架上更加富氧,大陸架生物群具有更高的代謝率和更活躍的生命模式。自鈣質浮遊生物大發展以來,大氣和海洋二氧化碳含量的變化通過深海CaCO3沈澱或溶解得到了快速補償,使得生物體不像以前那樣容易受到海洋酸化等事件的影响,地球的生物化学循环从此也更加稳定,体现了生物作用對海洋生物群演化的重要影响。    

  主要參考文獻 

  Bachan A, Lau K V, Saltzman M R, et al. A model for the decrease in amplitude of carbon isotope excursions across the Phanerozoic[J]. American Journal of Science, 2017, 317(6): 641-676.原文鏈接 

  Eichenseer K, Balthasar U, Smart C W, et al. Jurassic shift from abiotic to biotic control on marine ecological success[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 638–642.原文鏈接 

  Heim N A, Knope M L, Schaal E K, et al. Cope’s rule in the evolution of marine animals[J]. Science, 2015, 347(6224): 867-870.原文鏈接 

  Ridgwell A. A Mid Mesozoic Revolution in the regulation of ocean chemistry[J]. Marine Geology, 2005, 217(3-4): 339-357.原文鏈接 

(撰稿:蔣子文,吳亞生/油氣室)

 
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