文章来源于公众号“科学大院” 作者：刘芸 陈波
作为关心地球未来的世界公民一份子，网友们总是会畅想地球的N种未来，例如：
图片来源：知乎网友问答
当然，大院er是不支持用“别瞎想了”来磨灭好奇宝宝们的好奇心的，况且我们对“为啥会进入冰河世纪”这一问题已经有了线索——中国科学院南京地质古生物研究所的新近成果表明，种子植物或许是3.5亿年前漫长冰期的幕后推手。
地球曾是个“雪球”？
对于有着46亿年"球龄"的蓝色星球来说，地球的气温一直经历着不断的变化，改变了数次。大量的数据显示，地球曾经至少3次变身成为一颗“雪球”，赤道和海洋全部被冰封，全球呈现一片死寂冰期，这些时期被地质学家们称为地球的冰期。
其实，地球在3亿多年前就经历过一次大降温，进入到冰期。那次冰期规模很大，持续时间很长，导致全球古海洋、古气候、古生态都发生了显著变化，是地球气候环境演化历史上的关键转折期。
这次晚古生代大冰期的序幕可以追溯到距今3.55亿年左右，当时全球气候急剧变冷，全球年平均气温骤降，位于南半球的泛大陆，被冰川广泛覆盖，是晚古生代全球气候由“温室”到“冰室”转换正式开始的重要标志性事件。一直以来，科学家们都无法搞清楚，当时的地球为何会突然进入冰期。
冰期或与植物有关？
植物从海洋登上陆地是一个十分漫长而又曲折的过程，是生命演化的一大壮举。其中，种子植物的出现，是植物演化史上的一个里程碑事件。相比起蕨类植物依靠孢子繁殖后代，种子繁殖更加适应环境的变化，可以在广大的干燥、寒冷环境中生存。到了石炭纪种子植物的足迹已经扩展到全球了。
如今，种子植物已是植物界进化程度最高、分布最广、类型最丰富的种群，与人类的衣食住行密切相关，成为宜居生态环境的重要组成部分。不过，种子植物的登陆和大规模繁盛被认为是触发3.55亿年前那次大冰期的重要原因之一，但由于缺乏证据只能止步于猜想。
种子植物
（图片来源：SICENCE MARTIN BARRAUD/ISTOCK）
猜想获得证实
作为“最著名”的温室气体，大气中二氧化碳浓度的变化，直接影响着全球气候的变化。一旦抓住二氧化碳变化的规律，某种意义上也抓住了“温室”和“冰室”的气候变化规律。大气中的二氧化碳浓度主要取决于其源（碳的排放）和汇（碳的固定）之间的相对关系，当大气中二氧化碳浓度降低时，说明二氧化碳来源减少或消耗增加。
在地质时间尺度上，有两种地质过程能显著增加大气二氧化碳储存, 导致大气中二氧化碳浓度降低和气候变冷，一是大陆风化；二是有机碳（比如煤）的埋藏。
碳循环示意图（图片来源：网络）
近期，中国科学院南京地质古生物研究所青年科学家陈波、陈吉涛、郄文昆、黄璞等人与国内外同行合作，对华南和越南等地五条早石炭亚纪剖面开展了详细的碳、锶、氧同位素分析（三种同位素分析分别指示碳循环、大陆风化和古温度变化）。同时，还系统地梳理了晚泥盆世-早石炭亚纪早期全球种子植物属一级多样性及其地理分布变化，在这一关键时期的古海洋环境变化及其与种子植物的演化关系研究中获得重要发现。
研究发现，海水的锶同位素比值在杜内期中期（距今3.55亿年左右）开始下降，并伴随着碳酸盐碳同位素值和牙形刺氧同位素值的增加，碳、氧、锶这三个同位素体系的耦合变化正巧与种子植物早期演化阶段中最重要的一次辐射事件相对应。
早石炭亚纪杜内期碳、氧、锶同位素变化与种子植物演化之间的关系
（图片来源：南京古生物所）
在这次辐射事件中，种子植物的多样性也快速增加、分布范围显著扩张，很可能已迅速占领了先前植被稀疏或完全没有植被覆盖的干旱和高纬度地区。
晚泥盆世-早石炭亚纪种子植物属级多样性和分布范围变化
（图片来源：南京古生物所）
大陆风化使得硅酸盐和二氧化碳发生反应，形成碳酸盐。碳酸盐在海底逐渐沉积，这样便将大气中的二氧化碳储存起来。此外，植物的光合作用就是把空气中的二氧化碳固定下来，形成有机质。有机质的埋藏，也可以将一部分二氧化碳进行存储。
另外，当时种子植物的大规模繁盛很可能加速了岩石风化，导致大陆硅酸盐尤其是玄武质硅酸盐风化强度的增加（87Sr/86Sr值下降），使得磷等陆源营养物质大规模输入到海洋中，促进了全球海洋原始生产力的提升和有机碳埋藏量的增加（δ13Ccarb值升高）。同时，硅酸盐的风化、有机碳的埋藏也会大量消耗大气中的二氧化碳。这两个过程最终会导致气候的变冷（δ18Oapatite值升高）和全球气候由“温室”向“冰室”期转换。
陆地生态系统(terrestrial ecosystem) 是指地球陆地表面由陆生生物与其所处环境相互作用构成的统一体。这一系统占地球表面总面积的1/3，以大气和土壤为介质，生境复杂、类型众多。历史发展到今天，人类正以前所未有的速度改变着陆地生态系统，一方面，这为人类发展创造了物质财富，但另一方面，也极大地改变着其他生物的生存环境。
因此，这项研究系统地揭示出陆地生态系统演变是如何通过影响地表生物地球化学循环，而最终导致全球气候变化的全过程，对人类进一步理解陆地生态系统的兴起，及其在塑造全球气候中所扮演的角色有重要意义。
参考文献：
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. Montañez, 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
（文中所有图片均由作者提供）
作者单位：中国科学院南京地质古生物研究所
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