探秘地球演變歷史

聚焦關鍵地質時期

生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室（BGEG）以中國地質大學（武漢）“生物地質與環(huán)境地質教育部重點實驗室”為基礎，整合了兩個國家重點學科（古生物學與地層學、地球化學）和兩個一級學科博士點（地質學、環(huán)境科學與工程）。實驗室以地球系統(tǒng)科學的思想為指導，以探索地球生物學的核心科學問題為目標，立足于地球科學與生命科學和環(huán)境科學的交叉融合，以地球表層系統(tǒng)中重大的生物地質與環(huán)境地質事件和過程為研究重點，在多重時間尺度上探索地球環(huán)境與生命系統(tǒng)之間的相互關系、作用機理和演變規(guī)律。在這一總體框架下，實驗室聚焦關鍵地質時期的生物事件與環(huán)境事件（包括當代異常事件），認識其規(guī)律、探索其機理，從而既能重塑地球發(fā)展歷程，也能“以古示今”，為研究當代全球變化和生物多樣性演變，探索環(huán)境修復和生物危機的緩解，提供對比史實、理論依據和技術方法支撐。

鑒于地球歷史演變過程中重大生物和環(huán)境事件與過程所跨越的時間尺度多集中于106～104年、104～102年，以及102～100年范疇內，實驗室的科學研究工作形成了與之對應的3個既有密切聯系又各有特色的科學研究方向，包括關鍵地質時期生命與環(huán)境的協同演化（106～104年）、新生代以來氣候環(huán)境事件的生態(tài)響應（104～102年）、與人類活動相關的生物-環(huán)境地質過程（102～100年）。

其中，關鍵地質時期生命與環(huán)境的協同演化（106～104年），是以生命演化的早期階段（元古代）、重大生物突變期（古、中代之交和晚泥盆世）和重大異常氣候環(huán)境時期（白堊紀）的生物和環(huán)境事件記錄及其動力學過程為重點，深入研究這些關鍵地質歷史時期時間分辨率為106～104年的事件序列，旨在重塑早期生命演化、全球性生物危機及異常環(huán)境背景條件下地球環(huán)境和生命系統(tǒng)的演化歷史，揭示地質歷史時期的生命過程與地球環(huán)境演化之間的因果聯系，為當代地球環(huán)境和生物圈協同演化規(guī)律提供必要的理論依據。新生代以來氣候環(huán)境事件的生態(tài)響應（104～102年），是以長江流域和青藏高原的沉積記錄為研究對象，深入挖掘104～102年時間分辨率的地質學、地球化學和生物學信息，揭示新生代以來我國大陸季風氣候背景下某些重大的生物和環(huán)境事件特征，探索生物演化與環(huán)境變遷之間的激勵、響應和反饋機制，為科學解決當前人類活動影響下的全球環(huán)境-生態(tài)危機（如環(huán)境惡化、生物多樣性銳減等）提供直接啟示。與人類活動相關的生物-環(huán)境地質過程（102～100年），則是以工業(yè)革命以來的生物和環(huán)境事件為主要對象，以102～100年乃至更高時間分辨率的湖泊沉積物、土壤和地下水等環(huán)境介質為載體，系統(tǒng)研究人類干預下的地球表層系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境變遷和生物多樣性變化，重點從生物地球化學和地質微生物角度剖析人類地質作用的水資源生態(tài)環(huán)境效應，借鑒第一、二方向的研究成果，運用“以古示今”的科學思想，融理論探索和工程實踐于一體，為解決人類活動干預下的生態(tài)環(huán)境惡化問題提供理論與技術支撐。

取得突破性進展

近日，生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室“二疊紀-三疊紀之交陸相生物與環(huán)境演化”研究團隊，聯合美國蒙特克萊爾州立大學崔瑩博士和英國利茲大學Paul Wignall教授，利用華南陸相地層中高分辨率的C3植物有機碳同位素首次重建了二疊紀-三疊紀之交大氣CO2濃度連續(xù)變化趨勢。該成果于2021年4月9日在Nature Communications上在線發(fā)表。

長期以來，CO2是公認的溫室氣體，大氣CO2濃度與氣候變化之間存在緊密聯系。重建古大氣CO2濃度不僅能夠反映地質時期的古環(huán)境和古氣候情況，還能為未來的氣候變化提供一定的參考依據。二疊紀-三疊紀之交發(fā)生了顯生宙以來最大規(guī)模的生物滅絕事件，海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)均遭受重創(chuàng)。這次生物大滅絕事件伴隨著顯生宙最顯著的一次升溫事件，表層海水溫度升高了近10℃。溫室氣體CO2很可能是二疊紀-三疊紀之交升溫事件的主要原因，因此建立高分辨率且連續(xù)的古大氣CO2濃度（pCO2）變化是揭示該時期全球升溫機制的重要途徑。近年來開發(fā)的pCO2新指標——植物有機碳同位素，已經成功應用到不同地質時代的pCO2重建中。該指標的材料可以通過提取細碎屑巖中微米級的植物化石碎屑獲得，故其產出層位十分連續(xù)。因此，有望通過植物有機碳同位素恢復二疊紀-三疊紀之交pCO2連續(xù)的變化趨勢。

研究結果顯示晚二疊世晚期的pCO2為～430ppmv，隨后逐漸上升，直到二疊紀-三疊紀之交達到峰值～2500ppmv。在早三疊世早期，pCO2一直維持在較高的水平（1500ppmv到2500ppmmv）。這一近6倍的pCO2升高事件與同時期海-陸相碳同位素負偏事件，以及表層海水溫度升高事件相耦合。這反映了溫室氣體CO2很可能是導致二疊紀-三疊紀之交全球變暖的主要原因。恢復二疊紀-三疊紀之交大氣CO2濃度連續(xù)變化有助于加深研究者對該時期全球變暖以及生物大滅絕機制的認識，同時對定量研究地質時期的地球氣候敏感性有著重要意義。

同時，在如此高CO2濃度的背景下，位于低緯度的華南陸地生態(tài)系統(tǒng)遭到了重創(chuàng)，發(fā)生了一系列環(huán)境惡化事件。研究團隊的前期工作發(fā)現伴隨著碳同位素開始負偏，代表晚二疊世熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)的聚煤植物大羽羊齒植物群遭受滅絕，同時地層中的木炭豐度劇烈升高，反映了黔西滇東地區(qū)的野火強度和頻率的顯著提高，可能是高CO2濃度驅動的高溫和強烈的季節(jié)性氣候導致的。在陸地生態(tài)系統(tǒng)崩潰之后，黔西滇東地區(qū)的植物面貌發(fā)生了重大轉變，大羽羊齒植物群被多樣性十分單一的石松類所取代。研究團隊的另一項工作發(fā)現這些殘存的石松類孢子在重金屬含量富集的層位出現了畸變現象，石松類孢子四分體的比例顯著提高，甚至可達到孢子總數的19%，這大大超過了自然界中正常情況下的四分體含量（約3%～5%），而這種耦合關系也反映了石松類孢子的異常可能是高重金屬含量對植物的毒化造成的。該研究得到了國家自然科學基金、英國自然環(huán)境研究委員會及美國國家科學基金會的共同資助。

立足未來發(fā)展

如今，生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室已在國內地球生物學中的生物地質和地質微生物研究方面起到了引領作用，獲得國家自然科學獎二等獎3項，承擔多項重大國際合作項目、原“973”計劃和“863”計劃項目、國家自然科學基金重點項目等。研究成果在Nature、Science、PNAS、Geology、EPSL、ES&T等自然科學和地學高影響因子刊物上發(fā)表，在地球生物學研究方面產生了重要的國際影響。

今后，實驗室將繼續(xù)發(fā)揮中國地質大學（武漢）在以地球科學為核心的學科格局、扎實雄厚的研究基礎、素質優(yōu)良的人才隊伍、開放流動的科研環(huán)境、寬松自由的學術氛圍、先進的實驗儀器設備等方面的綜合優(yōu)勢，緊緊圍繞地球生物學學科前沿和國家戰(zhàn)略目標，保持實驗室在相關領域的領先地位，將其建設成為開放流動的國家科技創(chuàng)新和高層次人才培養(yǎng)基地、生物地質與環(huán)境地質科學研究中心，對我國地球生物學的發(fā)展起輻射帶動作用。