距今约2.5亿年的二叠纪末期，地球上曾发生过一次最大规模的生命灭绝事件，造成海洋中超过90%以及陆地上超过70%的生物消失。中国科学技术大学沈延安课题组以高精度镍(Ni)同位素分析为主要手段对加拿大北极地区的晚二叠-早三叠地层进行了系统研究，提出西伯利亚大火成岩省喷发产生的含镍气溶胶是二叠纪末生命大灭绝的重要因素这一新观点。
相关研究成果近日以“Nickel isotopes link Siberian Traps aerosol particlesto the end-Permian mass extinction”为题发表于综合学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)。
在关于二叠纪末生命大灭绝的环境和机制研究方面，国内外学者提出了多种观点和认识，其中主要驱动因素包括二氧化碳、甲烷等温室气体含量的急剧升高和全球变暖、海洋缺氧和酸化、富含硫化氢海水的上涌、海洋中有毒金属元素的大量富集等。在过去30多年，国内外学者在全球范围内对二叠纪末生命大灭绝事件进行了广泛的研究，一般认为造成生命大灭绝和环境巨变的根源在于西伯利亚大火成岩省的喷发。西伯利亚大火成岩省是地质历史上最大规模的大火成岩省，主要由大约三千万亿立方米的玄武岩组成，因此它的喷发能够造成全球大气和环境的剧烈变化。但最近的精确年龄测试表明，西伯利亚大火成岩省在二叠纪末生命大灭绝事件的30万年之前就已经开始喷发，因此大火成岩省的喷发和生命灭绝的成因联系成为地球生物学领域未解的重要科学问题。
论文的第一作者博士后李梦涵介绍说：“我们的研究对象是分布在加拿大北极地区Sverdrup盆地的Buchanan Lake剖面。从古地理位置来看，Sverdrup盆地距离西伯利亚大火成岩省大约2万公里，且处于其下风口，火山喷发的产物大约只需要4-8天就可以到达该盆地，因此它是研究二叠纪末火山喷发如何驱动环境变化的理想地区”。研究人员对Buchanan Lake剖面进行高精度Ni同位素测试后发现，Ni同位素的组成与当时海水中的氧气含量以及化学组成具有良好的相关关系(如图)。在二叠纪末生命大灭绝层位，Ni的含量由142.8 ppm突然降至36.4 ppm(如图)。另外，Buchanan Lake剖面的Ni同位素组成非常轻，是35亿年以来沉积岩中最轻的Ni同位素组成。
该研究认为，西伯利亚大火成岩省的喷发形成了大量含Ni的气溶胶，它们经过全球大气环流的传输沉降至海洋和陆地。Sverdrup盆地的Ni同位素组成清晰地记录了从火山喷发、大气传输到海洋化学组成变化这一系统过程(下图)。Ni是海洋生物的重要营养元素之一，因此含Ni气溶胶的大量沉降提高了海洋的初级生产力，同时大量消耗了海水中的氧气，其造成的环境恶果是海洋的缺氧和酸化。大量含Ni气溶胶的沉降也造成了陆地生物生长环境的恶化，因为过量的Ni不利于植物的光合和呼吸作用、限制植物的生长及其多样性，最后导致植物的死亡。该研究不仅证明了Ni在改变海洋和陆地环境方面的重要作用，而且为西伯利亚大火成岩省喷发和全球环境变化之间的成因联系搭建了桥梁。
沈延安介绍说，在过去5.4亿年以来地球上共发生了五次生命大灭绝事件，该项研究是首次应用Ni同位素解析生命灭绝过程中的剧烈环境变化，为理解生命和环境的相互作用提供了新的视角，也必将会启发国内外学者采取相同手段对其它重要地质历史转折时期生命和环境的相互作用开展广泛深入的研究。
该项研究受到国家自然科学基金创新研究群体和重大项目、高等学校学科创新引智计划、中国科学院前沿科学重点研究项目等资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22066-7
