深度文章:是什么导致了地球上的五次大灭绝？

地球上明显不止五次大灭绝。次数应该更多，有人估计高达20次。

那么我们经常听到的五次大灭绝理论是怎么来的呢？这个说法来自于Jack Sepkoski和David M. Raup于3月1982日发表在《科学》杂志上的研究报告。他们统计了已知事件，确定了寒武纪大爆发后的五次大灭绝。

好了，我们先简单看一下地球的地质演化史。

地质演化史

根据五次大灭绝理论，第一次大灭绝发生在奥陶纪末期。从上图看，好像发生在地质演化史的后半段，其实不是这样的。奥陶纪末期的灭绝事件距今只有4.5亿年，而地球的历史是46亿年。2017的新发现表明，最早的生物出现在42.8-37.7亿年前。“五次灭绝”一词，准确的表述应该是“显生宙五次灭绝”。

事实上，在1982之后的地质研究中，科学家发现了化石证据之外的迹象，比如不同地层同位素含量的变化，并由此证实了古气候的变化。此外，对生物地理沉积物和一些天文现象的研究也让我们发现，生命的起源并不简单。

就像人们至今不明白寒武纪物种大爆发的原因一样，人们至今也不明白生命起源的具体路径。然而，生命的活动在地球上留下了印记，让我们得以一窥其中的奥妙。

在注2的文献中，英国科学家Mattew S.Dodd等人在加拿大魁北克省哈德逊湾一个名为Nuvvuagittuq的地质构造中发现了一些微生物化石，他们在这些化石中发现了一些最早的生命证据。

怀疑地球上最早的生命

Nuvvuagittuq的地质结构形成于远古时期海底热泉的喷口周围，可以喷出铁和其他矿物质。地质学家认为，Nuvvuagittuq的年龄为37.7亿年或42.2亿年，这意味着它们可能早在地球形成后的3.4亿年就出现了。多德和他的同事发现岩石中存在丝状细菌，这些细菌含有铁化合物。与丝状细菌相连的圆形块非常类似于现代细菌用来附着在岩石表面的微型锚。这些岩石还含有各种可能由细菌产生的有机碳。生活在温泉出口周围的现代细菌，如丝状体，以铁化合物为食，这些铁化合物会使沉积物中出现管状空腔。这些特征在上述岩石中也有发现。他们认为这是地球上最古老的生命。

这是发表在权威科学研究杂志上的最早的生命证据，一些学者(弗朗西斯·韦斯特尔)对此持怀疑态度，因为微生物很难在火山喷发形成的化石中存活，这篇论文发表的微生物似乎有点太大了。

但是有一种观点是学术界公认的，原始生命起源于海洋。

探索生命的起源是一个综合多种学科的问题，包括地质学、古生物学、地球科学、天体生物学和地球科学。地质演化史中某一学科提出的非常硬的数据，通常会得到大家的认可，并以此为界进行研究。

这次地质学出来了，帮我们确认了氧的地质演化史。

2000年，马里兰大学的法夸尔(Farquhar)在《科学》杂志上发表了一项关于硫同位素的研究[3]，指出硫的同位素比值在大约24.5亿年前发生了变化。他使用一种新的同位素蒸馏方法来测定地球上游离氧的生成时间。

他的研究发现，24.5亿年前的岩石，反应后有大量含有S33同位素的反应产物。这种质量相关分馏(MIF)只有在无氧大气中进行太阳紫外辐射时才能实现，MIF硫在此之后消失，因此科学家认为自由氧在24.5亿年开始出现在地球大气中。

这有助于我们认识到这样一个事实:在24.5亿年的那个时刻，光合生物产生的氧气最终与海洋中的活性化学物质(如铁和硫)完全反应，从而可以逃逸到大气中。

在此之前，光合生物并不占据主导地位，海洋中光合生物产生的氧气是由海水中的各种活性元素(主要是铁)反应而来，这一点在沉积物中也有所表现。在南非发现的带状锈矿床(BIF)给了我们证据。

30亿年前的铁锈沉积物，图中红色部分。

所以我们可以意识到，这个时候应该会有一次大灭绝。光合生物产生的氧气对先前存在的底栖嗜热菌、厌氧菌、铁细菌、硫细菌和产甲烷菌造成了极大的危害。蓝藻等光合生物以废气的形式放出氧气，这对适应无氧环境的细菌来说是致命的。氧气不是它们需要的生存物质，甚至带走了它们生存的必需元素。

正因为如此，始于24.5亿年的大氧化事件也被称为氧大灾难。遗憾的是，目前能够帮助我们完整展现灭绝过程的化石证据很少，能够证明蓝藻存在的化石证据也很少。然而，几乎所有的科学家都认为，这场大灾难可能会导致98%以上的生物物种灭绝。

2006年发表在《地质学》上的一篇研究报告[4]中，Adriana Dutkiewicz等人对加拿大埃利奥特湖发现的含油流体包裹体进行了研究，发现在大氧化事件之前存在类似蓝藻的生物，为我们的猜想提供了地质证据。

古代蓝藻

蓝藻接管海洋后，大气中的游离氧开始增加，造成了另一个危害，就是大气中的甲烷会减少，甲烷被光合生物产生的氧气反应成二氧化碳和水。同时，也有证据表明，海洋中的产甲烷菌在生态竞争中败给了蓝藻。在2009年8月发表在《自然》杂志上的研究报告[5]中，Kurt O. Konhauser等人研究了带状铁矿床(BIF)，他们发现原始海洋中的镍含量是现在水体中的400倍。被称为产甲烷菌的微生物喜欢富含镍的水，它们会产生甲烷并将其释放到大气中。甲烷可以防止氧气积累，保持地球温暖。科学家还发现，在27亿至24亿年前的时期，海洋中镍的总体丰度下降了50%。这对应于大氧化事件。镍的缺乏可能会杀死产甲烷菌，给光合生物释放氧气的机会。甲烷对温室气体的贡献是二氧化碳的23倍，这可能直接导致地质史上最长的冰期——休伦冰期。

大冰期必然导致物种灭绝。这期间物种灭绝的具体过程我们不得而知，但冰河期有很大概率造成大规模物种灭绝。寒冷的生存环境对生物的发展非常不利，持续约3亿年(距今2.4-2.65438亿年)的冰期会让地球上的物种不堪忍受，很多物种将很难灭绝。然而，我们还没有找到任何化石证据来证明这一点。

今年8月发表的一份研究报告[6]发现加拿大大氧化事件期间产生的硫酸盐矿石中氧同位素含量很低，因此他们认为大氧化事件期间地球初级生产力下降了80%。同时地质学认为，此时玄武岩风化掩埋了有机质，而硅酸盐风化消耗二氧化碳形成碳酸钙。这一切导致了休伦冰期的正式出现。

休伦冰期

我们有理由相信，大多数物种会在海底火山口或被称为海底热源的地方避难，这些地方也被认为是地球原始生命起源的地方。

可悲的是，上述两个时期细菌化石或叠层石的发现并不广泛，现存的化石也存在难以断代的问题。我们只能通过有限的证据和逻辑推理来推断当时的生态环境。部分原因是这些个体太小，生活在海洋中，留给化石的机会很少。

科学家认为，休伦冰期3亿年期间火山喷发产生的温室气体最终保留了足够的太阳辐射能量，地球开始解冻，进入地质学家所说的无聊的十亿年阶段(也称为地球无聊时代)，即18亿年前到8亿年前的阶段。在这个阶段，地球环境、生物进化和岩石圈异常稳定。

无聊时代的地球含氧量几乎没有变化，与今天相比也很低，大约是现在10-100的三分之一。但这期间形成了臭氧层，保护了太阳风的带电粒子和紫外线，保护了生物的健康生长，保证了遗传物质的稳定。臭氧层为寒武纪物种大爆发铺平了道路。

科学家认为，此时海洋中存在绿色和紫色的光合细菌。科学家认为此时的海洋是紫色的[7]。马里兰大学的微生物遗传学家Shil DasSarma认为，在叶绿素出现之前，存在一种叫做视黄醛的物质。视网膜很容易合成，可以吸收大量绿色光波中含有的能量，反射红色光和紫色光，使海洋呈现紫色。达萨尔马认为，当时盐生细菌可能处于生态优势地位，吸收了大量能量较高的绿色光波，使得叶绿体植物只能利用能量密度较低的红色和蓝色光波。

互联网上的紫色海洋图片。

与此同时，著名地质学家唐纳德？坎菲尔德在《自然》杂志1998发表了研究报告，提出了重要观点。古代的海洋和今天的海洋有很大不同，今天的海洋即使在深处也富含氧气。古代海洋往往是分层的，上层含氧，下层含氧量极低。坎菲尔德指出，当深海变得完全无氧时，硫细菌会从沉积物中出来，接管海底。

硫细菌的新陈代谢会产生废弃的硫化氢，使得深海对以氧为基础的生物来说是致命的。缺氧的深海层与充满氧气的上层海水之间被化学跃层隔开，化学跃层距离海面很少超过200米。坎菲尔德认为古代海洋一直处于这种状态，这个理论被称为坎菲尔德的海洋理论，也被称为Euxinia。如今，这种状态只能在黑海看到。

坎菲尔德海洋示意图

那么似乎当时地球生物的生存条件是这样的。紫色和绿色的光合生物在缺氧和硫化的海洋中缓慢生长，甚至一些细菌可以利用太阳能将硫化氢还原为硫作为光合机制来生存。

十亿年很长，但是地质学家发现了一些红藻化石，被认为是最早的真核生物。发表于2017年3月的研究报告[9]认为，化石证据显示红藻出现于16亿年前。

标本概述b细胞结构c细胞内结构

红藻化石的发现可以证明当时的生态环境，可能为植物的进化开辟道路。个人认为，这时候一些鞭毛虫与各种单细胞藻类结合，形成了鞭毛虫样生物，进而为动物进化开辟了道路。但至今仍没有化石证据证实这一猜想。目前学术界认为细胞器的产生应该是这种方式的结果。

化石证据还表明，植物大约在13亿年前登陆，形成藻类和蓝藻的结合体，即地衣。这种初期落地的地衣为后来的植物落地提供了初步的环境。高等植物可能在7.5-8.5亿年前登陆【10】增加了大气中的游离氧。

大量植物登陆，使得地球光合作用总量迅速飙升，大大增加了大气中的氧气含量。这或许可以解释困扰达尔文的寒武纪物种大爆发问题。

在无聊的十亿年这个阶段，没有太多的化石证据。我们不知道这期间地球上的生态系统发生了怎样的变化，但根据今天地球上的生命分布，有些细菌应该灭绝了，它们占据了很小的生态位，比如盐生细菌。

这个时候，正如上面分析的，地球上的生命应该主要是细菌和地衣、藻类等简单植物，然后经历了一段时间的生物进化，直到541万年前的寒武纪大爆发，才产生了今天几乎所有的动物“门”。地层中寒武纪大爆发的化石证据如此明显，令包括达尔文在内的许多生物学家感到困惑。

从地球氧气的地质演化历史可以看出这种趋势。

氧地质演化史中的红绿线是估算值的上限和下限。

所以题目中提到了五次大灭绝，当时地球进入显生宙。植物的落地，让地球环境更有承载能力。这时，生物进化在生成中发挥了巨大的力量，形成了各种各样的大型动物。物种丰富度的增加使得化石证据丰富多彩、多样化。为我们研究古生物学提供了良好的物质基础。

好了，现在我们来看看note 1中提到的五次大灭绝。

显生宙五次物种灭绝事件。

物种灭绝的严重程度取决于蓝柱的高度。

下面按时间顺序介绍一下。

1，奥陶纪-志留纪(O-S)灭绝事件

发生在奥陶纪晚期或奥陶纪与志留纪的过渡时期，距今约4.5-4.4亿年。灭绝是全球性的，49-60%的海洋属和近85%的海洋物种灭绝。此时有大量的足纲、腕足类、外齿类、头足类、三叶虫、笔石、滤食性浮游生物等动物。

有几个可能的原因。

一、地球冰期——早古生代大冰期，又称安第斯-撒哈拉冰期。

这是目前最广为接受的说法[11]。4.2亿年前，一个叫做冈瓦纳(南方大陆)的巨大板块移动到了南极。冰盖形成，然后海水凝结，地球进入间冰期后海水释放。海平面的升降改变了气候和生存环境，许多物种灭绝。在北非晚奥陶世地层中发现了相关地层，这些地层来自当时的南极。这些地层同时记录了5次冰川脉冲，是强有力的地质证据。

南方大陆与南极相连。

b、伽马射线爆发(GRB)破坏了地球的臭氧层。

2005年美国国家航空航天局和堪萨斯大学的科学家发表在《国际天体生物学杂志》上的研究[12]认为，它可能是由一颗极端超新星释放的伽马射线爆发引起的，持续了十秒钟，严重破坏了臭氧层，使太阳中的紫外线到达地球，导致地面和海洋附近的大量生物死亡，从而破坏了食物链。同时，这一过程可以使地球降温，形成冰川等不利的气候环境。

因为我的教育背景，我觉得这个想法很大，作者也明显觉得他们的数据不是很硬，也说明这个现象至少贡献了一部分破坏力。

GRB

火山活动和风化阻碍了全球碳循环。

如上所述，地质学家认为火山活动会消耗大气中的二氧化碳，这与岩石风化会掩埋一些有机物，阻止其重新进入全球碳循环有关。简单来说就是化石燃料形成。

二氧化碳是一种温室气体，它们的减少有助于形成冰河时代，使物种灭绝。

d、金属中毒

全球碳循环受阻后，光合生物产氧能力下降，海底沉积物中的金属元素逃逸，使得海洋中的大部分生物灭绝。

2.晚泥盆世灭绝事件

发生在3.76-3.60亿年前，分为凯尔瓦瑟事件和汉根堡事件。这一长期的灭绝事件让科学家们感到困惑。但沉积记录显示，晚泥盆世时环境发生了明显变化，有证据表明海洋底层水体普遍缺氧。碳掩埋率飙升，底栖生物遭到破坏，尤其是在热带地区和珊瑚礁群落。这直接影响生物的生存，导致灭绝事件。这些变化的原因仍有争议。

可能的原因如下

一、外来物体(彗星或小行星)撞击地球。

这个说法是1969提出来的，个人认为是受当时冷战环境的影响。所以研究方向是歪斜的。不像恐龙灭绝的时候，他们找到了确切的陨石坑来证明。这一次，他们没有找到确切的陨石坑。

疑似阿拉莫撞击内华达州

b、植物进化影响了全球碳循环，引发了晚古生代大冰期，又称卡鲁冰期。

泥盆纪，植物落地后维管束结构演化，使植物的高度从30厘米长到30米，高等植物代表更深更大的根，进一步加速土壤风化，使土壤中的养分进入海洋，造成海洋富营养化，然后爆发藻华，导致海洋物种减少，全球缺氧，气温下降，环境进一步恶化危及陆地生物。

同时，陆地植物的快速生长导致了当时大气中二氧化碳含量的快速下降，植物的快速生长也使得一些植物作为化石燃料(石油)被埋在地下，没有办法重新进入碳循环。大气中二氧化碳的含量从15倍减少到今天的3倍。巴西北部(靠近泥盆纪南极)的冰川沉积等证据表明，泥盆纪末期发生了广泛的冰川活动。而这次冰川活动引发了严重的物种灭绝事件。

全球碳循环

受晚泥盆世灭绝事件影响的海洋生物包括腕足动物、三叶虫、菊石、牙形刺、无颚总科和所有的盾形目鱼类。然而，陆地植物和淡水生物受到的影响相对较小。

3.二叠纪-三叠纪灭绝事件

它发生在二叠纪和三叠纪之间，大约2.5亿年前。灭绝物种方面，当时地球上70%的陆生脊椎动物和高达96%的海洋生物消失了，这次灭绝事件也造成了唯一一次昆虫的大灭绝。生态系统完全恢复需要数百万年，这比其他大规模灭绝事件都要长。是五次灭绝事件中最严重的一次，也是迄今为止被称为最严重的灭绝事件——如果按比例的话，我认为大氧化事件造成的灭绝比例应该比这次高。

对这次灭绝事件有研究的学者很多，所以猜测也比较多。

一、行星或陨石撞击地球

不得不吐槽，这个理论是万灵药，从来不缺席。这一次他们甚至没有发现一个值得严重怀疑的陨石坑。首先，南极洲的震动石英层被用作证据。后来显微结构证明是火山活动的产物。后来，他们发现了几个地质年代不明的陨石坑，再次引起了严重的怀疑。后来他们决定借助艺术的力量，于是我们看到了一张陨石撞击海洋的照片。这样一来，这个理论的粉丝不仅可以解释为什么找不到陨石坑(陨石入海留下的痕迹被后来的地球活动磨掉了)，还可以解释陨石确实造成了大灭绝。

陨石撞击海洋。

这种想法只是在恐龙灭绝中找到了一些确切的地质证据，在这次事件中非常不靠谱。

b、火山爆发导致遮阳，破坏陆地生态系统后导致酸雨和全球变暖，导致物种灭绝。

西伯利亚玄武岩

来自西伯利亚和中国四川峨眉山的玄武岩证据表明，地球上最严重的火山喷发发生在二叠纪末，尤其是西伯利亚，那里含有20%的火山碎屑。火山喷发形成的尘云和酸性气溶胶阻挡了阳光，导致陆地生态系统崩溃，落下的酸雨流入海洋，导致海洋生态系统崩溃。

这个过程产生的二氧化碳也使得全球变暖，进一步破坏了生物的生存环境。

这种说法也受到了质疑，人们怀疑这次火山爆发的威力不足以改变全球生态。

c、泛大陆的形成导致了近海生态系统的崩溃。

盘古大陆形成于二叠纪末。

东亚板块的一部分直到二叠纪末才与泛大陆汇聚。泛大陆的形成使世界上大多数浅水区消失，而浅水区是海洋中生物最多的地带。这可以解释为什么海洋生物会大幅度减少，而陆地生物却不太可能受到影响，这与现实相矛盾。

认为这种确定的地理现象不应该引起如此严重的灭绝事件。

d、可燃冰的气化

可燃冰主要是甲烷水合物。科学家发现，碳13/碳12的比值在当时的地层中有波动。与此同时，有证据表明[13]全球气温在赤道附近上升了约6°C，在更高纬度地区上升更多。

导致温室效应的气体主要是甲烷和二氧化碳。全球变暖破坏了地球的生态系统，引发了悲剧性的物种灭绝。

这个理论可以解释全球变暖，但要让大气中的甲烷快速消失并不容易。

e、海洋缺氧硫化

这有点像坎菲尔德的海洋理论。地质证据显示，二叠纪晚期海洋缺氧，海底硫化物逃逸。海水中产生的硫化氢被排放到大气中，危害了全球生物系统和臭氧层。紫外线进一步伤害了全球生物，从而导致物种灭绝。在二叠纪晚期浅水地层中发现了大量绿硫细菌存在的证据，可以支持这一猜想。

这个猜想的好处是可以解释植物的大规模灭绝，会增加甲烷的含量，否则植物应该在二氧化碳含量高的环境中茂盛生长。二叠纪末的孢子化石进一步支持了这一理论。大部分形状异常，可能受过紫外线照射。

4.三叠纪-侏罗纪灭绝事件(TR–J)

它发生在大约2亿年前，这次灭绝事件的影响遍及陆地和海洋。在海洋生物中，20%的科已经消失，包括著名的牙形刺，许多大型鳄鱼，大多数兽脚亚目动物，以及许多大型两栖动物。三叠纪-侏罗纪灭绝事件使当时至少50%的物种消失。这一灭绝事件造成了陆地上的生态位空缺，使得恐龙成为侏罗纪的陆地优势动物。灭绝事件发生在盘古大陆分裂之前，持续时间不到一万年。这次灭绝事件造成了三叠纪恐龙和侏罗纪恐龙的明显区别。

这次灭绝事件的可能原因如下

a、外星人、小行星或彗星撞击地球。

传统上，这次并没有发现相应的陨石坑，但这个想法与物种灭绝有着不解之缘。每次物种灭绝都会有人坚持说地球被撞了。几个可疑的陨石坑要么太小，要么年龄太大。

b、火山持续喷发，造成极端气候。

大西洋中部岩浆区的大致位置

坎普是世界上最大的火成岩省，面积约11000000公里。坎普火山的喷发发生在约20.65438亿年前，持续了约60万年。火山爆发释放二氧化碳或二氧化硫和气溶胶，会导致强烈的全球变暖(来自前者)或制冷(来自后者)。

这可能导致了地球环境的剧烈变化和物种的大量灭绝。

C.自然演变过程引起的气候变化

欧洲的地质结构似乎表明，海平面在晚三叠世下降，在早侏罗世上升。虽然海平面下降有时被认为是海洋灭绝的罪魁祸首，但证据并不确凿，因为地质历史上的许多海平面下降都与灭绝的增加无关。然而，仍然有一些证据表明，海洋生物受到与海平面下降有关的次级过程的影响，如氧合减少(由于循环不良)或酸化增加。这些过程似乎并没有遍布全球，但它们可以解释欧洲海洋动物的局部灭绝。这不足以解释全球灭绝现象。

后来的研究指出，到三叠纪末，干旱的趋势明显加剧。虽然像格陵兰和澳大利亚这样的高纬度地区实际上已经变得潮湿，但地质证据表明，世界上大部分地区的气候变化更加剧烈。证据包括碳酸盐和蒸发岩沉积的增加(在干燥气候下最丰富)和煤沉积的减少(主要形成于潮湿环境)。此外，气候可能变得更加季节性，长期干旱被严重的季风打断。

但这些都不能完美解释物种灭绝。

5.白垩纪-古近纪灭绝事件(K-Pg)

它发生在6600万年前，也被称为白垩纪-第三纪灭绝事件(简称K-T灭绝)，俗称恐龙灭绝。在这次大灭绝中，几乎所有的大型陆生脊椎动物都灭绝了，只有鸟类和一些能藏在水中或洞穴中的生物存活了下来。所以陆地生态位几乎是空的，为哺乳动物占据地球提供了条件。

虽然我一直在说行星大灭绝，但是一般认为这次大灭绝的原因是小行星撞击了地球，科学家在地层交界处发现了大量的铱。

位于美国科罗拉多州25号州际公路附近。红色箭头是白垩纪-古近纪界线(因富含铱而闻名)

科学家人工制造了一个直径为10公里的行星碎片，它在6500万年前撞击了墨西哥尤卡坦半岛，形成了希克苏鲁伯陨石坑。陨石撞击形成了覆盖天空的灰尘和硫酸气溶胶。这导致陆生生物光合作用受阻，气溶胶以酸雨的形式降落在海洋中，导致海洋酸化严重。

艺术家对行星碰撞场景的描绘。

然而，仍然有许多理论挑战这一猜想，如海平面下降暴露大陆架和海洋生物的部分灭绝。在陆地上，由于被子植物进化导致食物匮乏，恐龙灭绝了。

这需要科学家进一步研究。

目前的研究没有特别硬的数据让大家信服。在现代科学中，我们对生态学这一宏观学科的理解并不透彻，甚至连全球变暖这样简单的问题都极具争议。如果生态学进一步发展，我觉得可以从更系统的层面来讨论大灭绝。我只提到了目前学术界比较知名的灭绝事件，没有深入讨论。但是我觉得显生宙之前的物种进化也很有意思。经历过的灭绝事件不会少。