香港大学古生物学家研究古新世—始新世极热事件

气候变暖会扩大最少含氧区的范围,而此区域会在浅水中扩张,导致在浅水栖息地以上适宜栖息的区域变窄,令在那里生活的动物有更高的灭绝风险。图片提供及版权:Jacopo

气候变暖会扩大最少含氧区的范围,而此区域会在浅水中扩张,导致在浅水栖息地以上适宜栖息的区域变窄,令在那里生活的动物有更高的灭绝风险。图片提供及版权:Jacopo BRUNETTI

香港大学:大约在五千六百万年前, 古新世—始新世极热事件(Paleocene-Eocene Thermal Maximum,下称PETM事件),是一次历史上最著名的极热气候事件之一,使地球进入了超级温室状态。理解它的成因和影响非常重要,因为这是帮助预测环境生态在人为气候暖化下会如何变化的最佳方法之一。

港大学(港大)生物科学学院和太古海洋科学研究所的博士生田云舒进行了一个关于PETM事件的研究项目,合作研究者包括港大生物科学学院及太古海洋科学研究所副教授安原盛明博士,以及史密森学会的Huai-Hsuan M HUANG、法国国家科学研究中心的 Fabien L CONDAMINE及美国地质调查局的Marci M ROBINSON。 Tian展示了由极度高温和海水缺氧所导致的浅海生态系统崩溃后复修的情形;在PETM事件期间的「极热事件」,很可能是现今人为气候变暖最好的自然类比。研究报告最近在著名学术期刊《地球与行星变化(Global and Planetary Change)》上发表。

应用创新方法 评估地方多样性的事态变化

PETM事件的发生,是由大量碳元素进入大气层揭开序幕。二氧化碳令温度急升5 – 8℃,造成巨大的海洋化学和生物反应。到底像PETM事件一样的短暂极热气候事件是如何导致不同的海洋生态系统中的生态灭绝、起源、和生物演替,并且最终打断了长期进化?这项研究的成果,对帮助科学家应对全球暖化问题非常重要。可是,不是所有的海洋生物都对不正常的古海洋和古气候状态都会作出相同的反应,而我们对此亦缺乏系统性的理解,尤其是对于浅海生态系统的运作知之甚少。

为了解开疑团,研究团队应用了创新性的崩溃-重建模型(birth-death modelling)来定量分析美国东部马里兰州地方多样性动态在PETM事件,并且分别在这个事件前后发现了强烈的局部灭绝与起源峰值。原来在PETM事件开始时,浅海生态系统的巨大波动可能是由极度高温的表面水层和深水氧气含量短缺所导致,而包含这两个特点的深水层被称为「最少含氧区」,这些因素加起来以向上收窄了最少含氧区之上的适宜浅海栖息地。由于缺少凉爽的避难地,导致在PETM事件发生之前占据46.2% 的生物集群中不耐热的浅海物种在区域内灭绝。当事件结束时,浅海生态系统的强烈恢复能力超出预期,50%的新物种在新的生物集群中出现。然而,PETM事件的气候异常导致的影响是不可逆转的,而地方生物群落的组成最终被永远地改变。

研究团队用保存于一个海洋沉积钻井内的介形虫化石作为模型生物,深入了解在中大西洋海岸平原Salisbury海湾的浅海水底多样性的崩溃-重建模型。介形虫作为微小的甲壳类(小于1毫米),留下丰富的化石记录,它们被认为是研究其他无脊椎后生动物(metazoan invertebrates)的水底生物反应(benthic biotic response)的代表。

样本中所有的介形虫化石都在显微镜下被挑选并分类,然后建立资料组用于统计分析。通过克服微体化石研究中常见的低样本含量、幽灵谱系、保存偏差等问题,崩溃-重建模型的应用使建立清晰定量的地方多样性轨迹带来可能性。

我们必须意识到与全球暖化相关的海洋和气候变化,对生物多样性带来的潜在损害。 PETM事件期间的海水缺氧和急剧升温降低了物种多样性,亦改变了物种的组成,并且干扰了整个浅海生态系统。研究结果显示,假如今天的碳排放量维持不变,在可见将来有可能出现相似的状况,并对社会经济造成莫大损失。

「我们对于这个极端事件期间的气候变化已有更好的理解,但是它对海洋生态系统的影响,尤其是浅海生态系统,仍然不为人知。然而,这才是问题的关键,因为我们正忧虑地球变暖和它带来的后果。PETM事件不能作为未来状况的完美类比,因为人类活动所导致的二氧化碳排放,比PETM期间更为迅速。但是PETM是最好的部分类比之一,让我们思考人为暖化会使海洋生态系统和生物多样性造成的影响。」安原盛明博士说。

「我们现在正忧虑持续发展的气候变暖会扩大最少含氧区的范围,这个位于几百到一千米之间的水深区的氧气含量最低,这是因为氧气在温度更高的水中更不容易被溶解。最少含氧区在浅水中的扩张,导致在浅水栖息地以上适宜栖息的区域变窄。在那里生活的动物有更高的灭绝风险,因为它们被挤到狭窄的栖息地中,并且暴露于逐渐升高的温度之中。实际上,这一切经已发生过,并且造成了大量的灭绝,而那时地球比现在更暖。所以,如果我们不减低二氧化碳的排放,未来气候变暖将导致严重的后果,例如大规模的灭绝或物种消减。」 田云舒总结说。

有关研究论文请参看以下连结:https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2021.103649

图片下载:https://www.scifac.hku.hk/press

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