书城童书学生最想知道的未解之谜:迷雾笼罩的科学
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第13章 寻觅物种大灭绝的真正原因

据估计,以单细胞细菌形式存在的一些种类的生命,在我们这个星球上已经存在35亿年了,这是宇宙年龄的20%~25%。当生命的初始形式出现后,大约经历了30亿年,生物的多样性才开始真正出现。古生物学家大卫·M·劳普在他1991年出版的著作中提到,大约6亿年前“生物进化的速度仿佛脱缰的野马,一发而不可收”。从那以后,有50亿~500亿种物种已经形成——这个不确切的数字反映了我们对此了解甚少。一些物种,如蟹状三叶虫等以一种或另一种形式在地球上生存了几百万年,但曾经存在过的99.9%的物种最终都灭绝了,这不是夸张的数字。究竟发生了什么使得亿万物种惨遭灭绝?

对这一问题进行思考的有两个主要学派:一派主张是因为基因不好造成了物种大灭绝;另一派则主张是因为运气不好。劳普于1991年著的《大灭绝:坏基因还是坏运气?》一书中介绍了这两个学派。

自从达尔文的理论发表后的140多年间,坏基因学派逐渐占上风。因为地球在不断变化,它的大陆板块在不知不觉中形成新大陆,它的气候冷暖有序,即使很微弱的地磁场完全反转,也将引发地震、火山喷发、冰河和热带热浪,这些肯定会对现存的生物带来挑战。那些具有复杂的遗传结构并能适应这种变化的生物自然最有希望生存下来。这些具有复杂遗传结构——同样也意味着具有最大和最复杂的有机体的生物将不会灭绝。另外,当任何物种经历长时间的进化以获取更大的遗传效率时,即使没有外来的大规模的环境变化的压力,它的不太适应环境的祖先也将逐渐灭绝。如果能发展出一种比从其进化而来的物种更有效的摄取微小食物的能力,甚至一些相当原始的早期海洋生物也胜过与它相似的生命形式。适应性即适者生存对许多科学家来说,解释大多数物种灭绝似乎足够了。

天体的碰撞可能导致了物种大灭绝然而,随着时间的推移,当从记录了地球生命史的化石中了解到越来越多的东西后,科学家注意到这种方法出现了越来越多的问题。单独靠进化论不能解释5次物种大灭绝发生的原因,在这5次大灭绝中,大多数曾经存在的生命形式灭绝了。经历了过去的半个世纪后,越来越多的科学家转向了“坏运气”假说,这一假说认为大灭绝是由于经历了罕见的自然灾难,其强度足以毁灭整个行星。

尽管没有一种动物主宰地球,在大灭绝期间总有一些生命形式像恐龙一样被永远毁灭。有一种观点普遍被人接受,那就是毁灭了恐龙和许多别的物种的大灭绝,为哺乳类动物的进化开辟了道路,同时也为进化成我们人类的哺乳动物的一支的数量的增加开辟了道路。一些科学家相信如果恐龙没有灭绝的话,它们可能最终会进化成直立行走的生物,可能最后会进化成像人类一样,甚至比人类更发达的智慧生物。有一些证据表明一些小的恐龙已经有即将靠两条腿直立行走的迹象了。但是,有些专家对此提出异议,他们认为恐龙在很长时间内都没有向直立行走发展的迹象,相反,灵长类进化为人类的速度相对来说要快得多。

暂且不管这类推测,证明恐龙的灭绝是目前大灭绝原因的争论的关键。有两个原因:自从1842年理查德·欧文创造了“恐龙”这个词以后,恐龙就成了公众感兴趣的对象,至今已经一个半世纪了;因为恐龙消失在5次大灭绝的最后一次,我们有记录了它们1.4亿年存在史的化石,它比其他早期的生命形式的化石更完好。

要想获得更多关于灭绝物种(或由许多不同的物种组成的类)的信息,需要更多来自不同领域的科学家一起来研究。同时,对恐龙的看法在20世纪过去的几十年间发生了很大的改变,但依然存在许多不解之谜,这些生物吸引了许多专业背景似乎与恐龙研究毫不相干的科学家。没有人比诺贝尔奖获得者、加州理工大学物理学家路易斯·W·阿尔瓦雷茨从更远的领域进入恐龙的争论圈的了——可能有一部分因为这个原因,引起了轰动。他和他的儿子沃尔特——一位地质学家一起建立了一个新的理论,在20世纪70年代震惊了恐龙研究界。他们开辟了一条思考大灭绝的全新道路。

回到1973年,沃尔特·阿尔瓦雷茨和一个地质学家小组在意大利北部的古比欧的一个地方发掘能证明地球磁场反转的证据。因为某种未知的原因,地球磁场每100万年反转一次,在古比欧,沃尔特·阿尔瓦雷茨发现一个夹在两个石灰层之间的泥土层没有化石,而这两个石灰层都有很多化石遗迹。这件事引起了他极大的兴趣,因为泥土层在地质年代上与白垩纪末期一致,恐龙就是白垩纪末期灭绝的。1977年,沃尔特回到美国,随身带了一些泥土层的样品。然后,他就这件事情跟他父亲路易斯·W·阿尔瓦雷茨进行了讨论。

路易斯·W·阿尔瓦雷茨因为发明了液氢气泡室而获得了1968年的诺贝尔物理学奖,液氢气泡室用于识别许多短命的称为“共振子”的粒子。阿尔瓦雷茨是一个有多方面兴趣和成就的人,他参加了研制原子弹的曼哈顿工程,发明了引导飞机着陆的雷达导航系统。古比欧的地层样品激起了他的极大兴趣,他开始测量它们的地球化学组成成分,在1978年又得到了一些额外的样品并发现在地层中铱元素的含量是其上下层的石灰层的含量的30倍,铱是地球上的稀有元素——但在陨星上很普遍,白垩纪末期的地层中铱含量之高令人惊奇。

阿尔瓦雷茨认为有几种可能的解释。也许,可能在那段时间银河系正好有一颗超新星发生爆炸,爆炸后产生的富含铱元素的碎片落到地球上,但是这种假说没有获得有力的证据的支持。路易斯和沃尔特·阿尔瓦雷茨转向了另一个假说:一颗大的陨星坠落地球。它的直径至少有10千米,撞击后扬起的尘埃遮天蔽日达数年之久,海洋和陆地的植物得不到充足的阳光而深受影响,食物链的崩溃导致了包括恐龙在内的大量物种同时灭绝。

阿尔瓦雷茨父子的假说于1980年6月发表在《自然》杂志上,在有些人看来,这只是大众传媒编造的一个极具戏剧性的科学故事,只能增加各个科学领域的怀疑者的厌烦。沃尔特·阿尔瓦雷茨的许多地质学家同行拒绝接受这一假说,因为他们已经提出了自己的假说,其中包括火山喷发假说——猛烈的火山喷发也可能造成遮天蔽日的尘云。别的科学家认为陨石撞击假说可能是真实的,但也是有待验证的。富含铱元素的类似沉积物(它可以支持从古比欧所获得的发现)在全球的其他不同地方还能找到吗?是否存在一个正好产生于白垩纪末期,并且足够大的陨石坑来证明这样一颗陨星确实撞击过地球呢?

两年内,地质学家在世界各地都找到了包含确切年代的富含铱元素的地层。但是有些科学家开始提出一个新的问题:铱元素能在大气中长期停留,以便能从撞击点传送到全球吗?但是,计算机模型显示“冲击扩散”是可行的。随着争论的继续,这一假说还存在一个大问题:到哪里去找那个陨石坑呢?当时所发现的大陨石坑没有一个在大小、年龄等方面正好符合要求。1989年,海洋学家在绘制尤卡坦半岛的北部海滨的地形图时,发现了一个海底陨石坑,随后科学家对这个名为奇休鲁布的陨石坑展开了测量。1993年,科学家宣布这个陨石坑直径为180千米,比西弗吉尼亚州还大,实际上是现在已知的太阳系最大的陨石坑。更令人惊奇的是,测量显示这个陨石坑正好形成于6500万年前,与预测的恐龙灭绝的年代相符。接下来的4年,对从陨石坑中取得的样品进行了测试。1977年,一些研究者得出结论:陨石坑中铱元素含量与古比欧、丹麦、新西兰所发现的地层的铱元素含量相同,这些地方的铱元素含量数据是路易斯和沃尔特和他们的同事、化学家弗兰克·阿萨罗和海伦·米歇尔于1980年所宣布的。到此为止,大多数科学家都同意陨石撞击在恐龙灭绝中扮演了一个重要角色。这个结论得到了1996年11月宣布的一项研究成果的支持,该研究指出,尤卡坦半岛陨石以一个锐角撞击地球,这将在北美洲产生巨大的风暴性大火。

但是,这个结论并不意味着关于大灭绝的争论已经结束了。一些科学家包括大卫·劳普得出结论,认为解释所有大灭绝的物理机制已经清楚了,科学家将不指望再能找到与更早期大灭绝相符的陨石坑了,因为地球表面经历了数百万年的变迁,发生在更早期灭绝时留下来的陨石坑的痕迹不可避免地被消除了。在20世纪期间,大陆漂移的发现表明,2亿年前地球上存在一个叫联合古陆的超大陆,而且这个超大陆也是由一个更早期的叫Rodinia的超大陆的几块形成的。

尽管这些试图证明过去5亿年间经历的5次大灭绝都是因为陨石撞击所引起的发现和推论极具煽动性,但是仍有一些科学家对这个假说持怀疑态度,甚至怀疑恐龙灭绝真的完全是因为陨石撞击所引起,这些科学家只愿意承认陨石撞击只是恐龙灭绝的部分原因,而不是全部。印度西部的高原地区分布着广阔的火山岩堆积物,被称为德干高原火成岩,一些科学家认为这种不断出现的火山活动也可起到与陨石撞击相似的效果。在对德干高原火成岩进行年代测定时稍微有些问题,一些人认为火山爆发和陨石撞击都存在,同样起决定性作用。而其他专家坚持恐龙在北美洲比在其他地方灭绝得快,尤卡坦的陨石撞击应该是主要的原因。还有另外的观点认为恐龙在撞击前就开始消失了,即使没有这一次撞击加速它们的灭亡,它们也会灭绝的。这最后一个假说涉及另外一个假说,即许多恐龙因为体积太大,一旦环境稍有变化,就会引起它们的食物匮乏,而体积小的恐龙,可能进化成了像现代的爬行类一样的动物了,有的也可能进化成原始的真正的鸟类了。

一些恐龙成长为庞然大物,而另外一些则进化成了新的物种的假说支持了大灭绝的坏基因假说。也就是说巨大的身躯可能是一个坏的遗传特征,因为它增加了对环境变化适应的脆弱性,而小的物种随着时间的流逝更具有适应性。大卫·劳普甚至指出,有些物种灭绝是因为遗传问题,这类问题出现的范围,可能从疾病影响了一个物种或一些物种,到栖息环境的改变可能对一些栖息在一个狭窄的生活空间的物种来说是致命的。这些问题是显然存在的。

然而,劳普雄辩地说明,坏基因并不能解释这么多物种在大灭绝中为何会全部消失。应该发生过一些重大的事件,不仅杀死了具有好基因的物种,同时也杀死了具有坏基因的物种。

尽管如此,劳普认为陨石撞击是5次大灭绝的主要原因的假说依然得不到许多科学家的承认。尽管他有他的支持者,但仍有人对他的理论提出异议。对那些坚持认为不断发生的火山活动扮演了主要角色的人来说,这可能意味着,火山活动本身也是陨石撞击的结果,巨大的陨石撞击引发了火山活动。虽然如此,一些专家还是乐意接受这样的假说,即任何一次大灭绝都不是由单一的原因引起的,而是几个原因共同作用的结果。还有人认为5次大灭绝都有一个最主要的原因,但是可能每次大灭绝的主要原因都不一样。有一次可能是因为火山活动,还有一次可能是因为海平面上升,另外一次可能是因为气候突变。所有这些灾难,包括陨石撞击,也许发生过不止一次。

这种争论很可能永无止境,但是尤卡坦陨石坑给陨石撞击引发最近一次大灭绝的理论提供了强有力的证据,研究者对寻找类似的更早期的大灭绝的证据不抱太大的希望。地球表面经过数亿年的数次变迁,已经面目全非了。无疑,将来的其他发现将会使争论偏向一方或另一方,但至少暂时无法找到最终答案。