2.5億年前花粉自帶“防曬霜”揭秘臭氧層破壞

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曲布剖面二疊—三疊系過渡地層中發現的花粉化石（受訪者供圖） 

2.52億年前的二疊紀末大滅絕造成了約81%的海洋物種和89%的陸地物種滅絕，其主要原因被認為是大規模火山噴發導致的環境變化，但仍缺乏環境因素影響陸地生態系統的直接證據。

近期，中國科學院南京地質古生物研究所研究員劉鋒與英國、德國同行合作，通過研究該時期化石花粉粒中“防曬霜”含量的變化，發現臭氧層破壞導致二疊紀末陸地生物大滅絕的直接證據。相關研究成果1月6日在線發表于《科學進展》(Science Advances)。

為什么古老的花粉粒中會有“防曬霜”呢？這些“防曬霜”又是如何揭示二疊紀末大滅絕期間的全球臭氧層破壞的呢？

“防曬霜”含量反推紫外線輻射強度

二疊紀末期的大滅絕事件是顯生宙最大一次滅絕事件。已有的研究發現，二疊紀末期西伯利亞大火成巖省的噴發造成的全球溫室氣體增加，全球變暖以及海洋酸化可能是引起這次滅絕的主要誘因。

然而，對于這些環境因素如何影響陸地生態系統目前還有很多爭論。

孢粉學相關研究人員在陸相二疊—三疊紀過渡剖面發現了一些畸形孢子和花粉，推測這些畸形孢子或花粉可能跟由西伯利亞大火成巖省噴出的鹵族元素相關，其造成全球臭氧層破壞，進而誘發紫外線輻射增加，引起畸形。

相關研究人員通過對現代植物中產出的畸形孢子和花粉的研究表明，這些畸形花粉和孢子產生的環境背景十分復雜，干旱、空氣污染以及植物體的外傷都有可能誘發植物體產生畸形孢子或花粉。

但劉鋒告訴《中國科學報》：“單憑在陸相二疊—三疊紀過渡剖面發現的少量畸形孢子和花粉，并不能直接證明二疊紀末期大滅絕期間存在全球臭氧層空洞引起的紫外線輻射增加。”

植物體需要陽光進行光合作用，為植物體生長提供能量，但又要避免陽光中有害的紫外線對植物體特別是植物生殖細胞（孢子和花粉）中遺傳信息的破壞。為了適應陸地輻射環境，陸生植物演化出了一些調控機制，以減少紫外線對植物體的傷害。

研究人員發現，在植物體的生殖細胞中這種機制表現為，植物的孢子和花粉的外壁中含有大量功能與“防曬霜”十分相似的化合物（香豆酸和阿魏酸），這些化合物可形成共振穩定的酚自由基，抵抗紫外線引起的氧化作用，從而保護脆弱的孢子和花粉，為陸生植物的傳播和繁衍提供了保障。

植物學家已經觀察到現代植物體可以根據周圍的紫外線輻射環境，自動調節其生殖細胞外壁“防曬霜”的含量，同時這些“防曬霜”可以在惰性的孢子和花粉外壁中保存很長時間。“理論上，我們可以通過對這些孢子和花粉中‘防曬霜’含量的測定，反推地質歷史時期大氣紫外線輻射強度。”劉鋒說。

顯微鏡下手動挑選1011粒花粉化石

劉鋒帶領研究團隊運用傅里葉變換紅外光譜，對產自我國西藏日喀則市扎西宗鄉曲宗村曲布剖面，即二疊——三疊紀過渡剖面的1011粒阿里型花粉中的香豆酸和阿魏酸進行了定量測量，通過對這些花粉產出的紅外光譜的大數據分析發現，在二疊紀末大滅絕期間地層中花粉外壁的香豆酸和阿魏酸含量明顯高于滅絕前后化石花粉中該化合物的含量，直接證明了二疊紀末期大滅絕期間存在全球紫外線輻射增加的現象。

“在孢粉保存的過程中，會不會混入其它物質影響研究結果呢？”面對記者的提問，劉鋒解釋道：孢粉保存的過程中有可能會混入一些無機物，主要是物理的侵入，但混入有機物的可能性非常小，因為孢粉的外壁是目前世界上已知最惰性（耐腐蝕）的有機物，幾乎不與任何化學試劑發生反應，所以就很難混入有機物。“這也確保了我們研究的請準性。”

“這1011粒花粉化石都是我們一粒一粒從顯微鏡下挑出來的。”劉鋒向《中國科學報》介紹，“第一次操作時候手抖的厲害，當天就撞碎了三根毛細管，每根管1500元，很是心疼啊！”

劉鋒團隊在研究中遇到的最大的困難是孢粉樣品太小，挑樣極其艱難。“我們用了最先進的Eppendorf細胞操作工具，勉強提高了挑樣的速率。”劉鋒說，“但由于經費有限，我們沒有買Eppendorf電子操作手臂，都是用自己的手控制毛細管去挑選孢粉。”

在經歷了上千次的操作后，現在劉鋒和學生的手臂操作已經非常穩定，抖動都不超過幾微米級。

劉鋒還指出，現在市面上常見的傅里葉變換紅外光譜都不是專門用來測量花粉的，因此用來測量這么小的物體后得到的信號都很小。“我們找遍國內多家實驗室后，發現僅有上海島津實驗室可以讓我們測量花粉這么小的物體。盡管后期獲得的光譜信號還是不算大，我們使用了一些數學算法，放大了這些信號，最終克服了儀器精度的困難。”

存活的植物帶動了其他物種滅絕

”此前的研究為了解釋陸地物種滅絕，往往認為植物先滅絕，再帶動其他陸地物種滅絕。”劉鋒告訴《中國科學報》，“我們的研究發現，植物在二疊紀末大滅絕并沒有滅絕，其中包括我們研究的阿里型花粉的母體植物。雖然這些植物沒有滅絕，但依然影響并帶動了其他物種滅絕。”

為此，劉鋒團隊對剖面地層的有機碳同位素和汞的濃度進行分析后發現，這兩個指標的異常波動與化石花粉中出現大量香豆酸和阿魏酸的層位基本相當，進一步確認二疊紀末期全球紫外線輻射的增加可能是由于當時劇烈的火山活動引起的。

“空氣中紫外線輻射量的增加對整個陸地生態系統具有深遠的影響。由于紫外線不僅對植物的生殖細胞具有很強的殺傷作用，同時也會對植物體葉肉細胞造成破壞。”劉鋒介紹，為了抵御紫外線對葉肉細胞的破壞，植物體會在其葉片中大量合成葉黃素、香豆酸和阿魏酸等，相應減少葉綠素的合成，從而導致植物體光合作用的減弱，進而使得植物體對于溫室氣體吸收能力減弱，進一步加重了二疊紀末期火山噴發引起的全球溫室氣體增加。

另外，葉肉中的葉黃素、香豆酸和阿魏酸等對于食草動物以及昆蟲來說是一種很難消化且營養價值較低的化合物。“所以紫外線輻射的增加間接影響了陸地食物鏈，可能是導致二疊紀末陸地食草動物以及昆蟲大滅絕的主要原因。”劉鋒說。