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地球最臭的时期:水和空气都能“臭死”大部分生物?

图 | pixabay

我们只要闻过臭鸡蛋的气味,恐怕就难以忘怀。而在约2.5亿年前的地球上,可能遍地弥漫着类似的臭味。更可怕的是,臭味来源于一种有毒的物质——硫化氢。

撰文 | 毛毛

审校 | 栗子

你有没有闻过臭鸡蛋的气味?当你一无所知地拿起一枚鸡蛋——它的外表看似完好,但其实已经变质了——轻轻一磕,鸡蛋突然炸开,在油与蛋清碰撞出的“滋滋”声中,一股恶臭扑面而来,简单来说只有两个字“酸爽”。

当鸡蛋变质,蛋白质被细菌分解,会产生硫化物、氨气、胺等物质,它们都具有强烈的刺激性气味,共同组成了我们闻到的恶臭。虽然臭鸡蛋本身的气味层次如此丰富,但如果说到“臭鸡蛋味”这个词,我们最先想起的物质大概只有一种:硫化氢。

如果去网上搜索“硫化氢”,你除了会读到“低浓度时有臭鸡蛋味”这样的描述,还会发现“剧毒”、“易燃”等警告。即使没闻过,你大概也能想象出这种气体的可怕。

如果我们在做饭时,真的不幸打到一颗臭鸡蛋,至少还能赶快擦洗干净、给厨房通风,忍一忍也就过去了。但在大约2.5亿年前的地球上,很可能大片海洋都是“臭鸡蛋味”的,生物躲都没处躲。

对生活在这个时期的所有生物来说,最大的问题却不是气味难以忍受,而是这种味道带来的致命威胁——生物大灭绝事件。

最严重的生物灭绝

在地球历史上五次大规模的生物灭绝事件中,最严重的并不是导致大部分恐龙灭绝的那次,而是发生在约2.52亿年前的二叠纪末生物大灭绝。这次灭绝事件对整个地球生态系统造成了毁灭性的打击,直接抹消了80%的海洋物种,陆地上的生物也难逃一劫。

在二叠纪末大灭绝事件后,原本繁盛的海百合数量大大减少 | Vassil - Alias Collections)

就和其他大灭绝事件一样,长期以来,对于二叠纪末大灭绝的原因也一直存在巨大争议。很多研究将这次灭绝事件归咎于西伯利亚火山喷发。当然,再巨大的火山也无法让岩浆覆盖整个地球。真正带来危险的,很可能是火山喷发导致的气候变化。但在火山喷发后具体发生了什么?怎样的气候变化导致了如此严重的灭绝?

就在最近发表于《自然·地球科学》的一项研究中,加利福尼亚大学里弗赛德分校的研究者认为,或许是 “臭鸡蛋味”的硫化氢,毒死了大量的生物。

死亡海域

在海洋的深处,水中溶解的氧气本就有限,如果在特殊时期,再有超量的有机物(往往来自进行光合作用的生物的尸体)从表层沉降下来,这些“尸体”的分解过程很容易就能将仅存的氧气消耗殆尽。在这样的缺氧环境里,一类特殊的细菌可能会“挺身而出”,它们能“呼吸”硫酸盐,并将其中的硫还原为硫化氢。

这样的环境被称为“静海”(euxinic),名字听起来很美丽,但静海环境对多数生物来说往往是致命的——生存所需的氧气匮乏,剧毒的硫化氢却存在。万幸的是,这样的“死亡海域”稳定存在的条件非常苛刻,目前全球仅有不到0.5%的海底处于静海环境,而且往往位于深的海域。

但如果这样的水体覆盖了更大的范围,不仅能直接威胁到海洋中的生物,还会向大气中释放出有毒的硫化氢气体,从而影响到陆地上的生态环境。

事实上,已经有大量证据显示,在二叠纪末期大灭绝事件发生期间,大片的海洋都处于静海环境。2008年,发表于《科学》的一项研究就从一类特殊的绿硫细菌(Chlorobiaceae)入手,找到了证据。

绿硫细菌是一类厌氧的光合细菌,能够利用硫化氢等硫化物进行光合作用。绿硫细菌的无氧光合作用需要满足两个基本条件:一、处于海洋的表层,有足够的阳光射入;二、有充足的硫化物。在表层海水里,大部分情况下,硫化物就来自于深层海水释放出的硫化氢气体。也就是说,绿硫细菌出现,就意味着这里曾经处于“死亡海域”中。

绿硫细菌光合作用光反应系统 | Chen et al., 2020

研究者分析了澳大利亚珀斯盆地内对应地层的岩芯,果然发现了绿硫细菌特有的色素物质。除此之外,地层中铁元素的存在形式和硫同位素数据也证明,二叠纪末期许多海洋处于静海环境。微生物释放的硫化氢不仅让海洋变成了真正的“死亡之海”,还让陆地环境中充满了难闻的气味。

火山带来的“恶臭循环”

那么是什么导致了“静海”的扩张呢?在发表于《自然·地球科学》的新研究中,科学家利用地球系统模型给出了他们的推测。

按照这个模型,火山导致的气候变化会带来两方面的影响:一方面大量降雨和雨水中溶解的酸性气体,使更多岩石风化流入海洋,为海洋中的生产者提供了营养物质;另一方面,全球变暖会增强表层海洋中生产者的的新陈代谢。这两项影响又会导致同一个结果——更多的有机物颗粒沉入深层海水,消耗更多氧气。

加利福尼亚大学里弗赛德分校的研究者,也是这项研究的作者之一Dominik Hülse表示,“我们的研究表明,整个海洋并不全都是缺氧的。这种情况往往开始于较深层的海水中。随着火山排放出大量的温室气体,温度升高,缺氧区域变得更大、毒性更强,并侵入到更浅的海域——那里生活着大多数海洋动物。”反过来,静海水域的扩张也会导致更多海洋生物死亡,它们的腐败会消耗更多氧气,从而维持了这种“恶臭循环”。

空气中弥漫的气味,让Dominik Hülse表情痛苦地捏住了鼻子 | Dominik Hülse/UCR

身边的硫化氢威胁

这并不是只会发生在地球历史上的事情,甚至不需要大规模的气候变化,一些人为污染也可能在局部地区导致类似的结果。

去年10月,美国卡森地区的居民突然发现附近的空气变得极臭,闻久了还出现了头痛、恶心、喉咙痛、眼睛灼痛等症状。根据《洛杉矶时报》的报道,调查显示,卡森地区一处仓库发生了大火,这里储存的大量乙醇等化学物质顺着下水道流入了附近的多明格斯海峡。

调查推测,化学物质杀死了海峡中的生物,从而让这里进入了“恶臭循环”——生物腐烂导致水体缺氧,缺氧环境下细菌产生了大量的硫化氢。这些硫化氢释放到大气中后,短短半个月内,当地相关部门就接到了近5000起投诉,卡森及周边地区约3200名居民被迫临时搬去酒店。

“我们无法确定,古代的大灭绝事件是否会在今天重演,” Hülse表示,“然而,这项研究确实说明,大气二氧化碳浓度升高或许会给环境带来意想不到的变化。”

参考文献

[1]https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abb6350#tab-citations

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.1104323

[3]https://www.nature.com/articles/s41561-021-00829-7#MOESM1

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