贝壳讲述着5亿年的海洋生存史诗

斯坦福大学的科学家将 7700 个石灰岩样本拼凑在一起，发现更加多样化的海洋能够更好地循环利用营养物质并建立更大的食物网——这一古老趋势现在正受到人类活动导致的物种灭绝的威胁。

在一项开创性的研究中，斯坦福大学的科学家们追踪了过去5.4亿年海洋生物的变化。通过分析7700多个富含化石贝壳的石灰岩样本，研究团队发现，海洋生物的总质量在漫长的时间里总体上呈上升趋势，只有在地球大灭绝事件发生时才会有所停滞。

这一模式与19世纪研究中首次发现的生物多样性长期增长模式相似。物种数量的增加似乎能够孕育出更大的生物量，这将生命的多样性与古代海洋中可用的能量和食物联系起来。这项研究发表于6月25日的《当代生物学》（Current Biology），填补了我们对过去生态系统运作方式理解上的一个重大空白。

“了解生物量非常重要，因为它代表了生态系统的关键特征，而这些特征无法通过物种数量甚至它们所占据的生态位数量来体现，”该研究的主要作者、斯坦福大学杜尔可持续发展学院地球与行星科学博士后学者普尔基特·辛格（Pulkit Singh）说道。“但随着我们追溯到过去，我们对生物量的测量非常有限，因此我们希望通过这项研究填补生物史上的一大空白。”

生物质能反映海洋生物多样性繁荣

大多数线索来自动物、藻类和单细胞原生生物的外壳。这些坚硬的部分记录了不同历史时期有多少生物物质沉积在海底。当生物量上升时，预示着海洋更加富饶，能够支撑丰富的食物网并有效地循环利用营养物质。

分析还证实，当生物多样性崩溃时，生态系统生产力可能会下降数百万年。

长期以来，研究人员一直不愿尝试测量生物量，因为收集相关数据需要付出巨大的努力，而且这些数据可能不足以揭示有意义的模式。辛格接受了这项挑战，他花了数年时间整理数十年来发表的数据，并添加了来自他自己样本的新数据。

“首次对跨地质时期的生物多样性进行定量记录和绘制是在1860年，但直到普尔基特的论文发表之前，从未出现过一篇相应的跨时期生物量论文，”资深研究作者、斯坦福大学多雷尔·威廉·柯比地球与行星科学教授乔纳森·佩恩说道。“他敢于冒险尝试这样的项目，他的智慧勇气令我印象深刻。”

在这项研究中，辛格及其同事分析了来自世界各地的超过 7700 个海洋石灰岩样本，这些样本横跨过去 5.4 亿年，已被 100 多项科学研究记录在案。研究团队依靠一种名为“岩相点计数”的标准方法收集的数据，来评估每个样本中含有骨骼残骸的百分比。这项耗时的技术需要将岩石切割和抛光至极薄，以便光线能够穿透，然后在显微镜下检查岩石样本的薄片，以量化其成分。

大规模灭绝的兴起、衰落和恢复

在寒武纪——最早采样的时期，始于约5.4亿年前——研究人员发现，平均不到10%的岩石由贝壳物质组成。随着寒武纪在约4.85亿年前被奥陶纪取代，这一比例上升，部分反映了“寒武纪生命大爆发”——当时地球生命的多样性和复杂性急剧增加。钙化海绵最初是生物量的重要贡献者，但后来被新进化的棘皮动物（包括现代海星的祖先）和海洋节肢动物（包括已灭绝的三叶虫和螃蟹的祖先）所超越。

在接下来的2.3亿年的大部分时间里，贝壳含量飙升至20%以上，仅在晚泥盆纪“五大”生物大灭绝事件之一（约3.75亿至3.6亿年前）期间显著下降。随后，生物史上最大的一次下降发生在约2.5亿年前的“大灭绝”时期，即二叠纪-三叠纪灭绝事件，当时贝壳含量骤降至约3%。

生命逐渐恢复，除了随后发生的重大物种灭绝——大约2亿年前的三叠纪末期灭绝和大约6600万年前的白垩纪-古近纪灭绝事件（这场灭绝事件导致了非鸟类恐龙的灭绝）——生物量在我们当前的地质时代——新生代蓬勃发展，贝壳的含量超过了岩石体积的40%，这部分归功于软体动物和珊瑚的大量贡献。“我们能够捕捉到的总体模式是，生物量呈逐渐增加的趋势，”辛格说。

数据测试证实全球模式

进行这项研究的最大挑战之一是确定岩石中贝壳含量的增加是否真正标志着生物丰度随时间而增加，或者是否有其他生态因素（例如钻贝壳和破坏贝壳的捕食者的减少或方法样本偏差）导致了这种模式。

为了检验研究结果，研究人员进行了一系列严格的测试。他们根据浅水或深水的沉积环境对样本进行分类，并考虑到贝壳残骸在生物群落更丰富的浅水中更频繁地堆积。研究人员还根据不同纬度、位置以及当今大陆前身的形状对样本进行了分类。在整个过程中，信号在水深、纬度和地质环境中都保持了高度一致性。

辛格说：“我们做的测试越多，我们对数据集的划分越多，我们意识到我们所看到的这些大的生物学模式会随着时间的推移而持续存在。”

多样性促进海洋生产力

至于海洋生物为何普遍增加，证据表明多样性的增加也与此相关。随着海洋生物变得更加特化和多样化，它们可以从可用的营养物质和食物资源中提取更多的能量。这种增强的营养循环始于自养生物，例如浮游植物，它们通过光合作用“摄取”阳光，最终以分解者将自养生物吸收的营养物质返回环境。

辛格说：“总体思路是，生态系统中可用的食物更多，因此，生态系统可以支持更多的生命，可用的能量也更多，从而导致生物量的丰富度更高。”

人类影响威胁古代文明成果

考虑到人类活动的影响，过去数亿年来的丰饶景象能否持续下去仍是一个疑问。尽管人类活动在地质史上的短暂一瞬造成了肥料流失、过度捕捞、海洋酸化等等，但科学家们已经广泛记录了一场由人类引发的第六次大规模灭绝。生物多样性的不断丧失可能会减少生物量，反之亦然——这一信号或许可以从目前正在沉积的化石记录中捕捉到。

“从我们的研究角度来看，鉴于人类活动的广泛性，现代社会正迅速改变着全球（包括海洋）的状况，因此情况相当复杂，”佩恩说道，他同时也是斯坦福伍兹环境研究所的高级研究员。“但我们的研究结果表明，总体生物量与生物多样性息息相关，生物多样性的丧失可能会在地质学意义深远的时期内抑制生产力，这进一步证明了保护生物多样性对人类和地球健康至关重要。”

编译自/scitechdaily