生物体内“防晒霜”异常变化揭秘2.52亿年前生物大灭绝

2.52亿年前，约81%的海洋物种、89%的陆地物种在二叠纪末大灭绝中永远消失。1月6日，中国科学院南京地质古生物研究所研究员刘锋宣布，臭氧层破坏导致二叠纪末陆地生物大灭绝的直接证据被发现。据悉，该研究成果为中科院南京地质古生物研究所与英国、德国等同行合作产生，并于1月6日在国际知名期刊《科学进展》上发表。IYF新江南网|江南第一门户网

作为显生宙最大的一次灭绝事件，二叠纪末大灭绝事件的导火索早已在学界达成共识。大规模火山喷发导致的全球温室气体增加等环境变化被认为是造成这场灾难性灭绝的主要原因，但影响陆地生态系统的环境因素到底是什么？科学家们始终未能找到解开谜题的正确钥匙。这时，该时期化石花粉粒中“防晒霜”含量的不正常变化引起了科学家们的注意。IYF新江南网|江南第一门户网

花粉粒中的“防晒霜”是为何物？刘锋介绍，植物体进行光合作用从而获得生长能量，同时又要避免阳光中有害的紫外线对植物体中遗传信息的破坏，尤其是对植物生殖细胞——孢子和花粉的威胁。对此，陆生植物开始“自我进化”，在孢子和花粉的外壁形成大量化合物香豆酸和阿魏酸，这样就拥有了“防晒”功能。这些“防晒霜”化合物可抵抗紫外线造成的氧化，从而为陆生植物的传播和繁衍提供了天然保护层。IYF新江南网|江南第一门户网

随着一些畸形孢子和花粉在陆相二叠—三叠纪过渡剖面中被发现，二叠纪末期大灭绝期间紫外线辐射增加的秘密也逐渐浮出水面。一些孢粉学家推测，西伯利亚大火成岩省喷出的卤族元素造成全球臭氧层破坏，诱发紫外线辐射增加，从而造成孢子或花粉的畸变。刘锋告诉记者，现代植物学家已经观察到植物体可以根据周围紫外线辐射环境，自动调节其生殖细胞外壁“防晒霜”的含量。“因此，理论上我们可以通过测定孢子和花粉中‘防晒霜’的含量，反推地质历史时期大气紫外线辐射强度。”IYF新江南网|江南第一门户网

然而，干旱、空气污染以及植物体的外伤等等都可能成为花粉和孢子畸形的“真凶”，单凭在陆相二叠—三叠纪过渡剖面发现的少量畸形孢子和花粉并不能直接证明二叠纪末期大灭绝期间是全球臭氧层空洞引起的紫外线辐射增加。IYF新江南网|江南第一门户网

“我们从西藏日喀则市扎西宗乡曲宗村曲布剖面上获取了1011粒阿里型花粉化石，全部是一粒一粒从显微镜下挑出来的。”面对极小的样本，刘锋和团队成员的挑样工作变得极其艰难。为了提高挑样速率，他们采用了最先进的Eppendorf细胞操作工具，但由于经费有限没有买Eppendorf电子操作手臂，所以只能用手控制毛细管去挑选孢粉。IYF新江南网|江南第一门户网

“第一次操作手抖得厉害，第一天就被我们撞碎了三根毛细管。每根管售价1500元，可让我们心疼坏了。”后来，刘锋和学生们经过无数次的练习，手臂抖动幅度控制在几微米级内。IYF新江南网|江南第一门户网

随着研究的进行，这1011粒阿里型花粉化石终于给刘锋团队的研究带来了“意外之喜”。他们利用傅里叶变换红外光谱对其中的香豆酸和阿魏酸进行了定量测量，在花粉产出的红外光谱大数据分析结果中，发现在二叠纪末大灭绝期间地层中花粉外壁的香豆酸和阿魏酸含量明显高于灭绝前后化石花粉中该化合物的含量。这也就意味着，二叠纪末期大灭绝期间全球紫外线辐射增加的现象得到了直接证明。IYF新江南网|江南第一门户网

很快，刘锋等人的研究结论得到了进一步印证。研究团队在对剖面地层的有机碳同位素和汞的浓度进行分析时，发现这两个指标的异常波动与化石花粉中出现大量香豆酸和阿魏酸的层位基本相当，这说明剧烈的火山活动很可能是二叠纪末期全球紫外线辐射增加的“幕后黑手”。IYF新江南网|江南第一门户网

紫外线的大幅增强注定会激起陆地生态系统恶化的“多米诺骨牌效应”，植物体则是倒下的第一张牌。刘锋进一步解释，紫外线不仅对植物的生殖细胞具有很强的杀伤作用，同时也会对植物体叶肉细胞造成破坏。面对紫外线的侵袭，植物体只能在其叶片中大量合成叶黄素、香豆酸和阿魏酸等，抵御紫外线对叶肉细胞的破坏。但也只是道尽途穷之举，叶绿素合成的减少致使光合作用减弱，从而导致温室气体吸收能力减弱，二叠纪末期火山喷发引起的全球温室气体剧增。IYF新江南网|江南第一门户网

同时，食草动物以及昆虫也由于难以消化叶肉中越来越多的叶黄素、香豆酸和阿魏酸而遭受致命打击，“紫外线辐射的增加间接影响了陆地食物链，可能是导致二叠纪末陆地食草动物以及昆虫大灭绝的主要原因。”刘锋说。IYF新江南网|江南第一门户网