科学通报|沈树忠院士：环境因子变率控制地球生态系统演变

地球在过去 5 千万年以来海水表面平均温度持续变冷大约 12 ℃的背景下，最近数百年来气温快速上升，导致生态系统急剧恶化，有最新研究表明生物大灭绝可能正在发生中。然而从新生代以来长期变化过程中我们很难判别现在数百年来全球变暖是一次长期还是短期的趋势；也不清楚这次变暖以后会对当今生态系统造成何种程度的影响；由于有人类活动等非气候因素叠加的效应，自然因素影响的程度有多大也不清楚。

应对当前全球变化带来的生态环境的恶化并制定对应的策略，首先要了解生物是如何响应全球变化。地球生命有近38亿年的历史，在漫长的生命演化过程中，经历了各种极端地质和气候事件，其中包括大规模火山作用、大冰期、温室效应、极热期等，对地球生命和环境演变产生了深刻影响（ 图1 ）。深入解析地质历史时期重大生物与气候事件的触发机制和生物多样性对环境变化的响应型式，是科学评估当今地球现状和预测未来发展趋势的重要途径之一。

图1 5.4亿年以来生物多样性、火山事件、大气CO2浓度、古海水平均温度变化、主要极端气候事件和与冰川覆盖范围变化

文章通过对5亿多年以来地球发生的各种重大生物与气候事件的环境背景、过程及其原因进行了深入地分析，其结果表明地球在过去5亿多年中大部分时间处于两极无冰的温室效应阶段，长时间稳定大冰期往往导致生物辐射，长期稳定的温室效应期并不导致生物大灭绝。 中生代极度繁盛的恐龙时代其海水表面平均温度就比当今地球可能高了10℃以上，导致地球生态系统发生灾变的最根本驱动因素是地球环境因子（包括温度、CO2、海洋酸碱度、降雨量等）变化的速率，而不是简单的环境背景值高或低，当环境因子变化速度超出生态系统的承受力时，生态系统来不及适应环境而崩溃，从而发生生物大灭绝；当环境因子变化速度较慢时，生态系统有足够的时间来适应环境变化而得以繁盛（ 图2 ） 。

图2 环境变率驱动生物多样性演变

然而，深时重大生物事件在时间尺度、生物多样性的分辨率、可靠的环境因子记录方面都与现代全球变化的研究存在巨大鸿沟。因此，打通古 - 今（时间）和层圈（空间）界限，开展古 - 今、冷 - 热、海 - 陆、长 - 短尺度的生物与环境演化对比研究，建立深时地球系统模型，模拟地质历史时期重大生物和环境事件发生的过程和原因，是地球系统科学和全球变化未来研究发展的重要方向与目标。

相关成果以“深时重大生物 和气候事件与全球变化: 进展与挑战”为题发表于《科学通报》，南京大学地球科学与工程学院沈树忠院士为第一和通讯作者。

本研究得到了国家自然科学基金（42293280，42250104）、国家自然科学基金国际合作交流项目（42261144668）和中国科学院战略性先导科技专项（XDB26000000）共同资助。

• 沈树忠, 张飞飞, 王文倩, 王向东, 樊隽轩, 陈吉涛, 王博, 曹剑, 杨石岭, 张华, 李高军, 邓涛, 李献华, 陈骏. 深时重大生物和气候事件与全球变化: 进展与挑战. 科学通报, 2024, 69(2): 268–285. DOI: 10.1360/TB-2023-0218

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