我们能从恐龙逃离赤道的历史中学到哪些关于气候变化的知识

Dinosaurs in an ancient field.
Life on Earth is most diverse at the equator. But it hasn't always been this way.Image: J.T. Csotonyi/wikimedia, CC BY-SA
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  • 回顾地质年代,我们可以清楚地看到,如果不应对全球气温上升,我们将面临怎样令人担忧的损失。

  • 对史前生物的研究表明,随着全球气温持续上升,物种将从赤道地区向两极迁移。

  • 然而,如果变化速度过快,大规模灭绝便有可能发生。

地球上的生命在赤道地区最为多样。这一规律表现为:从热带地区向赤道方向移动时,物种生物多样性不断增加。该规律在陆地和海洋中均可见到,并已在多种动植物类群中得到记录,从哺乳动物和鸟类,到蚂蚁,甚至树木。

尽管这一规律在今天如此显著,但生物多样性在不同纬度上的分布——即所谓的纬度生物多样性梯度——并非一直如此。对生物多样性随纬度演化的研究表明,在地球历史的某些时期,物种生物多样性实际上在远离赤道的纬度最高。

理解纬度生物多样性在数亿年间发生变化的原因至关重要,这些变化往往与大规模灭绝事件相关。在当今世界,我们正面临气候变化、栖息地丧失以及全球生物多样性下降的挑战,这使这一问题尤为关键。回顾地质年代,我们可以清楚地看到,如果不应对全球气温上升,我们将面临怎样令人担忧的损失。

已有多种不同假说被提出来解释为何高生物多样性集中在某些纬度,但气候通常被视为关键驱动因素,无论是在当今还是在历史上,这一点都可以通过地质记录得到佐证。气候以多种方式影响生物,包括生物可以生存的地点、生物何时繁殖,甚至生物如何控制自身的内部过程,例如体温调节。

现代生物多样性在低纬度赤道地区达到峰值,例如亚马逊和中非的热带雨林。当冰盖同时存在于两极时——就像今天一样——这一规律更可能被记录下来,这种时期被称为“冰室”时期。

在被称为“温室”或“暖室”地球状态的较温暖时期,已记录到双峰型分布。这意味着生物多样性最高的区域有两条带,它们在中纬度地区环绕地球分布,即位于赤道以北和以南25°至65°之间的区域。

化石记录为我们提供了了解地球古代生物多样性的最佳窗口。但从化石记录中推断生物多样性的规律一直十分棘手,因为化石记录充满空白与偏差,这限制了我们的认识。

但在过去二十年间,新的分析技术使古生物学家得以估算史前生物多样性规律可能的样貌,即使是基于表面上看来至少有些零散的数据。这些技术近来揭示了两亿多年前、即有记录以来最具破坏性的大规模灭绝事件之后,纬度多样性的面貌。

史前栖息地

二叠纪末大规模灭绝发生于2.51亿年前,导致地球上超过80%的物种灭绝。此次灭绝事件是由广泛的火山喷发之后出现的不稳定气候所引发的。在此期间,以及随后的5000万年三叠纪内,各大陆连成一片单一的陆块,被称为三叠纪,泛大陆。

气候该时期的气候总体上比今天更为炎热、干燥,广阔的沙漠环绕着赤道。两极地区没有冰盖,而是呈现出温带气候,类似于我们今天在中纬度地区所见的气候。与此同时,海洋中的生物不仅要承受赤道海表温度高达40°C,还要面对氧含量下降和海洋酸化。

二叠纪末大规模灭绝之后的时期是一个恢复时期。一项最新研究发现,在三叠纪(2.51亿至2.01亿年前)的大部分时间里,海洋中存在与今天相似的纬度多样性梯度。然而,在大规模灭绝事件发生后紧接着的时期,研究人员发现生物多样性梯度变得平缓。在任何纬度上都没有物种生物多样性的峰值,研究人员将其归因于赤道附近极端变暖和海洋缺氧(即海水中的氧气被耗尽)所导致的高灭绝率。

在陆地上,在大规模灭绝中幸存下来的脊椎动物很快形成了一种双峰型纬度生物多样性梯度,其最高峰位于北半球低纬度地区,而第二个峰值则位于南半球中纬度地区。这一规律很可能是由泛大陆上的极端气候条件所驱动的,包括高温和强烈季节性降雨,这些条件与一种“超级季风”的形成有关。

在三叠纪后期,临近又一次大规模灭绝事件时,包括早期哺乳动物和早期恐龙在内的大多数陆生脊椎动物,在中纬度地区(赤道以北和以南)表现出高度多样性。这一规律与二叠纪期间陆生脊椎动物(即大规模灭绝之前)所记录的规律相似。

例外的是假鳄类——即包括鳄类及其化石近亲在内的类群。有趣的是,在随后的2亿年间,其他物种的纬度生物多样性发生了变化,并在今天转移至赤道地区,而假鳄类的生物多样性在其整个进化史中始终在低纬度地区最高。

这很可能归因于它们的生理特性,特别是其对高温的耐受能力。爬行动物属于变温动物,即“冷血”生物,它们依赖外部环境来调节自身的体温。如今,鳄鱼和其他爬行动物仅局限于全球气温较高、较为稳定的地区,而它们的化石近亲想必也是如此。

历史会重演吗?

这些关于过去大规模灭绝事件的洞察,对于理解地球当前生物多样性聚集区的格局可能如何发生改变至关重要。随着全球气温持续上升,一些研究预测,物种将从赤道地区向两极迁移——但如果变化速度过快,它们则面临灭绝的风险。

另有观点认为,全球变暖可能使不同纬度的气候趋于相似,从而可能在中纬度地区形成生物多样性峰值。已有证据表明,在过去50年间,海洋纬度生物多样性已变得日益呈双峰型。

随着“第六次大规模灭绝”的可能来临,甚至可能已经开始显现,长期视角对于理解如何在未来维持地球的生物多样性至关重要。

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