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    自然科普:5600萬年前的神秘高溫事件,如何改變哺乳動物進化歷程
    來源:科學大院
    發布時間:2021-09-10
    瀏覽次數:365

    版權歸原作者所有,如有侵權,請聯系我們

    全球變暖對地球上生物的影響,我們已經能夠從北極熊等極地動物面臨威脅、大面積珊瑚白化等現象有所察覺。其實,氣候對生物的影響一直存在,遠古時期的氣候變暖與哺乳動物的進化有著密不可分的關系。


    5600萬年前的神秘高溫事件

    故事還要從6600萬年前的白堊紀末期說起,一顆小行星毫無征兆地從天而降,猛烈撞擊在墨西哥的尤卡坦半島上,這次事件引發了一系列重大的環境變化,最終導致了稱霸地球長達1.6億年之久的恐龍退出自然歷史的舞臺。

    在恐龍滅絕后的1000萬年的時間里(古新世),地球上的氣候總體顯得平靜,但隨著一次快速升溫事件的發生,打破了原有的寂靜。在距今5600萬年前,全球平均氣溫在不到2萬年的時間里突然上升了5~8℃(圖1)。

    2萬年的時間或許對于人類歷史來說顯得漫長,但是對于動輒以億萬年為單位的地質歷史來說,只是一瞬間。這次高溫事件的結束與其開始一樣,十分突然而神秘,整個事件持續了不到20萬年時間,又快速回落到之前的氣溫。這次來也匆匆、去也匆匆的全球范圍變暖事件便是著名的古新世-始新世極熱事件(Paleocene-Eocene Thermal Maximum,簡稱PETM)。在此之后,地球迎來了長達2000多萬年的溫暖時期,稱為始新世(圖1)。

    圖1 6600萬年以來的地球氣候變化 (圖片來源:改自參考文獻1)

    現代哺乳動物的祖先迎來大爆發

    時光飛逝,斗轉星移。轉眼間,白堊紀末期那場終結“恐龍帝國”的大災難已過去了幾百萬年,元氣大傷的地球生態系統逐漸復蘇,劫后余生的幸存者們的后代開始嶄露頭角,努力尋求屬于自己的天地。

    在整個中生代時期,哺乳動物曾長期生活在以恐龍為主的爬行動物的陰影之下。隨著恐龍霸主時代的終結,那些曾經被恐龍不屑一顧的哺乳動物獲得了巨大的生存空間,它們的生存演化迎來了重大轉機,取代恐龍在地球上的霸主地位。地球從此迎來了哺乳動物時代——新生代。

    由于白堊紀末期動物群遭到重創,新生代之初,地球迎來了一個長達1000萬年的動物蕭條時期(古新世),貧瘠、荒蕪是當時地球的真實寫照。直到始新世之初(5600萬年前)才從一片蕭條中恢復了往日的喧囂,當時的氣候突然溫暖起來,低緯度的植物向高緯度發生了明顯遷移,亞熱帶、暖溫帶森林甚至擴張到北極地區,棕櫚樹分布范圍北至阿拉斯加和北歐地區,在北極圈內的一些地方還有蕨類植物、紅杉和銀杏的生長跡象,在南極大陸上還生長著大片的溫帶森林,地球上除了干旱的沙漠地區外,到處都是郁郁蔥蔥的森林。在我國東北的撫順,氣候如同今天我國南方一樣溫暖濕潤,森林沼澤遍布、樹木高大,為煤炭的形成提供了有利條件,這一時期也成為地質時期一次重要的成煤期。

    溫暖濕潤的氣候和森林的擴張為哺乳動物的繁衍生息和遷移創造了良好條件。這次看似短暫的升溫事件卻深刻影響了動物演化,快速變暖的氣候促使哺乳動物發生了快速演化,這一時期成為了新生代哺乳動物演化的關鍵時期。

    由于氣候環境的改變,古新世古老類型的哺乳動物由于無法適應環境,大部分發生滅絕,新的物種迎來了爆發期,大量的現代哺乳動物如偶蹄目、奇蹄目、靈長目和梳趾鼠類型的嚙齒類等,開始在亞洲、歐洲和北美地區出現。許多我們熟悉的現代哺乳動物的始祖開始出現,例如最早的馬,最早的象,最早的靈長類動物等。

    家貓大小的始祖馬

    PETM時期,隨著氣溫快速升高,哺乳動物還普遍出現了個體小型化的現象。始祖馬(圖2)的體型在PETM最初的13萬年里減小了30%,體重降至4kg,跟現在的家貓差不多大,隨后在氣溫回落的4.5萬年間又增加了76%,身高達50cm,體重達到7kg[2]。

    較高的溫度比較適宜小型哺乳動物的生存,與大型哺乳動物相比,小型哺乳動物的單位體重的體表面積較大,更容易解決散熱問題(貝格曼法則)。

    圖2 馬的祖先——始祖馬復原圖(圖片來源:https://baike.baidu.com-來源:DeviantArt)


    【拓展知識】

    始祖馬生活在森林和沼澤地帶,喜食水果、嫩樹葉和草,它的身高只有30厘米,四肢細長,身體靈活,這種體型有利于它們森林中自由穿梭。森林是個天然的屏障,茂密的樹枝讓它們能夠輕易逃脫其他動物的追捕。以始祖馬為代表的奇蹄目動物,是當時北半球最常見的動物之一。


    鯨魚的祖先——巴基鯨:從陸地走向海洋

    在距今5000多萬年前的早始新世,現在的巴基斯坦還位于古特提斯海附近,這時候的氣候變得異常炎熱干燥,烈日炙烤下的陸地幾乎一片荒蕪。有一種體型與狼或狗差不多大的陸地動物,叫巴基鯨(圖3),由于環境變化帶來的食物短缺,正面臨前所未有的生存危機。

    為獲取新的食物來源,餓得兩眼發昏的巴基鯨開始嘗試下海捕魚,由于還沒演化出鰭狀肢,巴基鯨在水里捕魚時不能像現在的鯨魚那樣輕松自由地游泳,而是采用“狗刨式”的泳姿游泳,動作緩慢而笨拙。但在水中的嘗試讓它們嘗到了甜頭,不僅獲得了充足食物,還擺脫炎熱的困擾,同時也避開了天敵的威脅。下海的嘗試,讓鯨魚的祖先邁開了從陸地走向海洋的第一步。

    圖3 巴基鯨(圖片來源:嗶哩嘩哩up主 @芳斯塔芙)


    【拓展知識

    巴基鯨頭部呈長圓錐形,長著一張大嘴巴,脖子短粗,四肢健壯,尾巴細長,全身長有毛,相貌十分丑陋,主要生活在淺?;蚝哆叺年懙厣?,靠捕食魚類、小型動物和取食植物為生。距今4900萬年前,更適應水中生活的陸行鯨出現了,陸行鯨也叫游走鯨,即能走會游的鯨魚,是一種半水生哺乳動物,它的生活習性與鱷魚相似。

    隨著時間推移,距今4600萬年前,一種更適應水中生活的鯨魚——羅德侯鯨出現了,它的后肢大而有蹼,猶如船槳。大約在4000多萬年前,第一代完全脫離陸地而在海洋中生存的海洋巨獸——龍王鯨出現了,它的身體細長(18m),后肢逐漸退化,前肢和尾巴長成鰭狀,身型也向流線型發展。

    到了始新世末期(3400萬年前),全球快速變冷,南極冰蓋開始形成,海平面快速下降,龍王鯨賴以生存的熱帶淺海環境消失,由于無法適應氣候環境的變化,最終也走向了滅絕;而一種體型較小的矛齒鯨幸存了下來。在距今3000萬年前,矛齒鯨又遇上了海洋霸主巨齒鯊的威脅,被迫前往能見度低、水溫低的極地海洋深處,為適應黑暗的大洋深處,逐漸進化出了聲吶功能來回聲定位,以此搜尋獵物和防避攻擊。距今450萬年以后,由于氣候變冷和生活方式的改變,鯨魚的體型開始巨大化,最終演化成了世界上最大的動物。

    黑暗天空的霸主——蝙蝠

    新生代來臨之際,自白堊紀末期大滅絕中幸存的動物們紛紛為自己謀求發展之地。蝙蝠的直系祖先仍保留著它原始的面貌:樹棲,以昆蟲為主食,夜間活動。

    隨著PETM事件的到來,蝙蝠的祖先迎來了新的發展機遇。在當時的北美內陸,氣候變得十分溫暖潮濕,到處生長著茂密的森林,森林周圍還分布著大片的湖泊、河流和沼澤。在森林中飛行的昆蟲生長繁盛,蝙蝠的祖先為了捕食飛蟲,先演化出一個“大巴掌”,并開始頻繁在樹木之間跳躍,經過不斷進化,最終長出翅膀,擁有一定的滑翔甚至飛翔能力。

    此后,地球又迎來了一個長達幾百萬年之久的高溫時期(早始新世氣候適宜期,簡稱EECO,圖1),此時蝙蝠的祖先已經真正地掌握了飛行能力,演化成為真正意義上的蝙蝠——伊神蝠(圖4)和爪蝠。


    圖4 已知最早的蝙蝠——伊神蝠的復原圖,化石發現于美國懷俄明州綠河組距今5250萬年前的早始新世地層(圖片來源:古生物探索)


    蝙蝠視力不佳,晚上光線又差。為了捕捉到行動敏捷的飛蟲而又不會撞到樹木,蝙蝠又演化出了超聲波回聲定位功能,以此來準確捕捉飛蟲、回避障礙和逃避天敵。蝙蝠,作為唯一真正具有飛翔能力的哺乳動物,它們避開與陸地哺乳動物的競爭,回聲定位系統又幫助蝙蝠避開與大多數鳥類的競爭,從而得以擴散到全球,成為哺乳動物中僅次于嚙齒目動物的第二大類群。


    人類祖先:靈長類動物橫空出世

    當然,這一時期,最重要的動物演化事件還得算現代靈長類動物的出現,正是它們才進化出了我們人類的祖先。

    近日,中國科學院青藏高原研究所的一項研究成果表明,PETM時期的快速升溫導致海洋表面蒸發旺盛,同時海陸熱力的對比更加強烈,促使海洋風吹向亞洲大陸,將更多的海洋水汽從熱帶洋面攜帶到東亞大陸,形成豐沛降水,即便是在原本干旱少雨、荒漠廣布的中國中部地區,氣候也突然變得潮濕;干旱地區的植物根本經不起雨水折騰,荒漠和干旱快速消失,迎來了大片茂密的原始森林[3]。

    原本分散的森林連接起來,依賴森林生存的靈長類動物得以迅速擴展到歐洲和北美洲,成為北半球最繁盛的動物類群之一。在中國中部茂密的森林中,有一種古老的靈長類動物——阿喀琉斯基猴在此繁衍生息(圖5)。


    圖5 阿喀琉斯基猴復原圖,化石發現于湖北松滋(倪喜軍 繪)

    阿喀琉斯基猴是一種體型非常小巧的靈長類動物,體長7厘米,體重僅有20~30克。它的腦袋大,一雙大大的眼睛有較好的視力,此時已經演化出早期的三色視覺,對紅色有強烈敏感性,一眼就能從一片綠油油的樹葉中看到紅彤彤的水果。

    它們四肢細長且靈活,主要以昆蟲為食,屬于晝行性動物,白天比較活躍,在樹枝上跳來跳去尋找食物。它手上和腳上的拇指都能與其他四指對握,這樣的身體結構可以幫助其抓住樹枝和食物。而它身后的長尾巴,在運動時可以保持其身體的平衡。阿喀琉斯基猴是迄今為止發現的最早的靈長目動物[4],這種古猴可能在后來的進化中分化為眼鏡猴和類人猿兩支,而后者在千萬年的進化后分化出了人類。


    海底甲烷釋放引發地球高燒

    有關這次匪夷所思的全球快速變暖事件的形成原因,學術界也是爭論不休。有彗星撞擊假說和火山爆發等觀點,但大多數學者都將其歸因于天然氣水合物(可燃冰)分解。

    隨著長達1000萬年的緩慢、持續的增溫過程,在5600萬年前,氣溫終于突破了某個臨界點,南北兩極的海水也逐漸變熱,高溫融化了深埋于寒冷海底的天然氣水合物,分解產生出巨量的甲烷并釋放到大氣中。甲烷是一種比CO2還要厲害20多倍的超強溫室氣體。甲烷迅速釋放及氧化成的CO2導致地球的溫度瞬間飆升。好在后期這些巨量的碳通過植物、土壤、巖石風化或海洋生物等途徑被吸收,使得氣候又迅速回到事件前的水平。


    結語:古新世-始新世極熱事件或將再現

    盡管PETM事件仍存在許多未解之謎,但毋庸置疑的是,快速的氣候變暖對地球上的生物產生了深刻影響。近年來,洪水、暴雨、高溫等極端天氣事件頻發就是在當前全球變暖的背景下發生的。全球變暖是一把“雙刃劍”,有利有弊。需要警惕的是,工業革命以來,人類活動釋放出大量的CO2等溫室氣體,加劇溫室效應,而近年來人類碳排放的速度比PETM時期還要快得多!在過去的一百年里,全球平均氣溫上升了0.7℃,而在PETM時期,上升同樣的溫度卻需要數千年的時間。

    顯然,當前氣候變暖的速度已遠遠超過了PETM時期。一旦全球變暖的局勢無法控制,地球或將迎來又一次類似于PETM的變暖事件,地球上的生物可能會再次面臨更新換代。也許哺乳動物的體型會變小,而人類在氣候變暖背景下的命運又將如何、人類如何應對氣候變暖所帶來的挑戰,這些都值得我們深思。


    參考文獻:

    [1] Westerhold T, Marwan N, Drury A J, et al. An astronomically dated record of Earth’s climate and its predictability over the last 66 million years[J]. Science, 2020, 369(6509): 1383-1387.

    [2] Secord R, Bloch, J I, Chester S G B, et al. Evolution of the earliest horses driven by climate change in the Paleocene-Eocene Thermal Maximum[J]. Science, 2012, 335(6071): 959-962.

    [3] Xie Y L, Wu F L, Fang X M. A transient south subtropical forest ecosystem in central China driven by rapid global warming during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum[J]. Gondwana Research. https://doi.org/10.1016/j.gr.2021.08.005.

    [4] Ni X, Gebo D L, Dagosto M, et al. The oldest known primate skeleton and early haplorhine evolution[J]. Nature, 2013, 498(7452): 60-64.


    作者:謝宇龍

    作者單位:中國科學院青藏高原研究所



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