種子植物：敢凍嗎？地球：敢凍敢凍

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「本文來源：科普中國」

作者：劉芸 陳波（中國科學院南京地質古生物研究所）

文章來源於科學大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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作為關心地球未來的世界公民一份子，網友們總是會暢想地球的N種未來，例如：

圖片來源：知乎網友問答

當然，大院er是不支持用“別瞎想了”來磨滅好奇寶寶們的好奇心的，況且我們對“為啥會進入冰河世紀”這一問題已經有了線索——中國科學院南京地質古生物研究所的新近成果表明，種子植物或許是3.5億年前漫長冰期的幕後推手。

地球曾是個“雪球”？

對於有著46億年"球齡"的藍色星球來說，地球的氣溫一直經歷著不斷的變化，改變了數次。大量的數據顯示，地球曾經至少3次變身成為一顆“雪球”，赤道和海洋全部被冰封，全球呈現一片死寂冰期，這些時期被地質學家們稱為地球的冰期。

其實，地球在3億多年前就經歷過一次大降溫，進入到冰期。那次冰期規模很大，持續時間很長，導致全球古海洋、古氣候、古生態都發生了顯著變化，是地球氣候環境演化歷史上的關鍵轉折期。

這次晚古生代大冰期的序幕可以追溯到距今3.55億年左右，當時全球氣候急劇變冷，全球年平均氣溫驟降，位於南半球的泛大陸，被冰川廣泛覆蓋，是晚古生代全球氣候由“溫室”到“冰室”轉換正式開始的重要標志性事件。一直以來，科學家們都無法搞清楚，當時的地球為何會突然進入冰期。

冰期或與植物有關？

植物從海洋登上陸地是一個十分漫長而又曲折的過程，是生命演化的一大壯舉。其中，種子植物的出現，是植物演化史上的一個里程碑事件。相比起蕨類植物依靠孢子繁殖後代，種子繁殖更加適應環境的變化，可以在廣大的乾燥、寒冷環境中生存。到了石炭紀種子植物的足跡已經擴展到全球了。

如今，種子植物已是植物界進化程度最高、分布最廣、類型最豐富的種群，與人類的衣食住行密切相關，成為宜居生態環境的重要組成部分。不過，種子植物的登陸和大規模繁盛被認為是觸發3.55億年前那次大冰期的重要原因之一，但由於缺乏證據只能止步於猜想。

種子植物（圖片來源：SICENCE MARTIN BARRAUD/ISTOCK）

猜想獲得證實

作為“最著名”的溫室氣體，大氣中二氧化碳濃度的變化，直接影響著全球氣候的變化。一旦抓住二氧化碳變化的規律，某種意義上也抓住了“溫室”和“冰室”的氣候變化規律。大氣中的二氧化碳濃度主要取決於其源（碳的排放）和匯（碳的固定）之間的相對關系，當大氣中二氧化碳濃度降低時，說明二氧化碳來源減少或消耗增加。

在地質時間尺度上，有兩種地質過程能顯著增加大氣二氧化碳儲存, 導致大氣中二氧化碳濃度降低和氣候變冷，一是大陸風化；二是有機碳（比如煤）的埋藏。

碳循環示意圖（圖片來源：網絡）

近期，中國科學院南京地質古生物研究所青年科學家陳波、陳吉濤、郤文昆、黃璞等人與國內外同行合作，對華南和越南等地五條早石炭亞紀剖面開展了詳細的碳、鍶、氧同位素分析（三種同位素分析分別指示碳循環、大陸風化和古溫度變化）。同時，還系統地梳理了晚泥盆世-早石炭亞紀早期全球種子植物屬一級多樣性及其地理分布變化，在這一關鍵時期的古海洋環境變化及其與種子植物的演化關系研究中獲得重要發現。

研究發現，海水的鍶同位素比值在杜內期中期（距今3.55億年左右）開始下降，並伴隨著碳酸鹽碳同位素值和牙形刺氧同位素值的增加，碳、氧、鍶這三個同位素體系的耦合變化正巧與種子植物早期演化階段中最重要的一次輻射事件相對應。

早石炭亞紀杜內期碳、氧、鍶同位素變化與種子植物演化之間的關系（圖片來源：南京古生物所）

在這次輻射事件中，種子植物的多樣性也快速增加、分布範圍顯著擴張，很可能已迅速占領了先前植被稀疏或完全沒有植被覆蓋的幹旱和高緯度地區。

晚泥盆世-早石炭亞紀種子植物屬級多樣性和分布範圍變化（圖片來源：南京古生物所）

大陸風化使得矽酸鹽和二氧化碳發生反應，形成碳酸鹽。碳酸鹽在海底逐漸沉積，這樣便將大氣中的二氧化碳儲存起來。此外，植物的光合作用就是把空氣中的二氧化碳固定下來，形成有機質。有機質的埋藏，也可以將一部分二氧化碳進行存儲。

另外，當時種子植物的大規模繁盛很可能加速了岩石風化，導致大陸矽酸鹽尤其是玄武質矽酸鹽風化強度的增加（87Sr/86Sr值下降），使得磷等陸源營養物質大規模輸入到海洋中，促進了全球海洋原始生產力的提升和有機碳埋藏量的增加（δ13Ccarb值升高）。同時，矽酸鹽的風化、有機碳的埋藏也會大量消耗大氣中的二氧化碳。這兩個過程最終會導致氣候的變冷（δ18Oapatite值升高）和全球氣候由“溫室”向“冰室”期轉換。

陸地生態系統(terrestrial ecosystem) 是指地球陸地表面由陸生生物與其所處環境相互作用構成的統一體。這一系統占地球表面總面積的1/3，以大氣和土壤為介質，生境複雜、類型眾多。歷史發展到今天，人類正以前所未有的速度改變著陸地生態系統，一方面，這為人類發展創造了物質財富，但另一方面，也極大地改變著其他生物的生存環境。

因此，這項研究系統地揭示出陸地生態系統演變是如何通過影響地表生物地球化學循環，而最終導致全球氣候變化的全過程，對人類進一步理解陸地生態系統的興起，及其在塑造全球氣候中所扮演的角色有重要意義。

參考文獻：

Bo Chen*, Jitao Chen, Wenkun Qie, Pu Huang, Tianchen He, Michael M. Joachimskic, Marcel Regelous, Philip A.E. Pogge von Strandmannd, Jiangsi Liu Xiangdong Wang, Isabel P. Montanez, Thomas J. Algeo. (2021). Was climatic cooling during the earliest Carboniferous driven by expansion of seed plants? Earth and Planetary Science Letters Volume 565, 116953. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.116953.

Jitao Chen*, Isabel P. Montaez, Yuping Qi, Shuzhong Shen, Xiangdong Wang, 2018. Strontium and carbon isotopic evidence for decoupling of pCO2 from continental weathering at the apex of the late Paleozoic glaciation. Geology, published online March 01, 2018. DOI:10.1130/G40093.1

來源: 科學大院