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5600万年前神秘的高温事件如何改变了哺乳动物的进化

文章来源:科学研究所

全球变暖对地球生命的影响已经通过对北极动物的威胁来发现,如北极熊和广泛的珊瑚白化。事实上,气候对生物的影响一直存在,远古时期的变暖与哺乳动物的进化密切相关。

5600万年前的神秘高温事件

故事也始于6600万年前白垩纪末期,当时一颗小行星毫发无损地坠入墨西哥尤卡坦半岛,引发了一系列重大的环境变化,最终导致1.6亿年前的恐龙从自然历史阶段撤出。(恐龙灭绝那天发生了什么,这篇文章带你去了解)

在恐龙灭绝(古新石器时代)后的1000万年里,地球的气候总体上是平静的,但随着快速变暖的事件,最初的沉默被打破了。五千六百万年前,全球平均气温在不到2万年的时间里突然上升了5到8摄氏度(图1)。

对于人类历史来说,两万年似乎很长,但对于一段持续数亿年的地质历史来说,这只是一个时刻。高温事件的结束就像它开始以来一样突然而神秘,持续了不到20万年,并迅速回落到以前的温度。这一次,全球变暖事件也被称为古新世- 始新世热最大值或PETM。从那时起,地球经历了2000多万年的温暖时期,被称为新世(图1)。

5600万年前神秘的高温事件如何改变了哺乳动物的进化

自1.66亿年以来地球的气候变化(照片:Ref1)

现代哺乳动物的祖先迎来了一场大爆发

时间过得飞快,战斗转向星星。转眼间,白垩纪末期终结"恐龙帝国"的灾难已经过去了数百万年,被破坏的地球生态系统正在逐渐恢复,余波幸存者的后代也开始崭露头角,努力寻找自己的世界。

在整个Mesoo-Generation中,哺乳动物长期生活在恐龙主导的爬行动物的阴影下。随着恐龙霸权时代的结束,那些曾经被恐龙忽视的哺乳动物获得了巨大的生存空间,它们的生存和进化迎来了一个重大转折点,取代了恐龙在地球上的统治地位。从那以后,地球迎来了哺乳动物的时代 - 新一代。

由于动物群在白垩纪末期遭到严重破坏,在新一代之初,地球迎来了长达1000万年的动物萧条期(古新石器时代),贫瘠、贫瘠是当时地球的真实写照。直到新大陆(5600万年前)开始,过去的喧嚣才从萧条中恢复过来,当时气候突然变暖,低纬度植物显着移动到高纬度地区,亚热带,温暖的温带森林甚至扩展到北极棕榈树范围以北到阿拉斯加和北欧, 在北极圈的某些地区,有蕨类植物,红杉和银杏生长的迹象,除了地球上干旱的沙漠地区外,南极大陆上还生长着大型温带森林。到处都是郁郁葱葱的森林。抚顺位于中国东北,气候和今天的中国南方一样温暖湿润,森林沼泽遍布,树木高大,为煤炭的形成提供了有利条件,这一时期也成为地质时期重要的成煤期。

温暖潮湿的气候和森林扩张为哺乳动物的繁殖和迁徙创造了良好的条件。这一看似短暂的变暖事件深刻地影响了动物的进化,而迅速变暖的气候导致了哺乳动物的快速进化,这一时期已成为新一代哺乳动物进化的关键时期。

由于气候环境的变化,古新世的古代哺乳动物无法适应环境,其中大部分灭绝,新物种迎来了爆发期,大量现代哺乳动物如偶蹄、奇蹄、灵长类和脚趾啮齿类动物,开始出现在亚洲、欧洲和北美。许多我们熟悉的现代哺乳动物的祖先开始出现,如最早的马、最早的大象、最早的灵长类动物等等。

一匹猫大小的祖先马

在PETM期间,随着温度的快速升高,个体小型化的现象在哺乳动物中很常见。在PETM的前130,000年中,原始Zuma(图2)的尺寸减少了30%,下降到4kg,大约是今天的家猫的大小,然后在温度回落后的45,000年中增加了76%,达到50cm,重7kg。

较高的温度更适合小型哺乳动物的生存,小型哺乳动物每单位体重的表面积比大型哺乳动物更大,并且更有可能解决热问题(伯格曼定律)。

5600万年前神秘的高温事件如何改变了哺乳动物的进化

图2 马的祖先- 祖先恢复地图(照片:https://baike.baidu.com -来源:DeviantArt)

扩展您的知识

祖先的马生活在森林和沼泽地,吃水果,嫩叶和草,只有30厘米高,有足够的四肢和灵活的身体,这有助于它们在森林中自由航行。森林是天然的屏障,茂密的树枝使它们很容易逃脱其他动物的伤害。以祖先马为代表的芋芷动物是当时北半球最常见的动物之一。

鲸鱼的祖先,巴基鲸:从陆地到海洋

5000多万年前,巴基斯坦还靠近古茨海,当时气候异常炎热干燥,烈日下的土地几乎荒芜。一种与狼或狗差不多大的陆地动物,称为巴基鲸(图3),由于环境变化造成的食物短缺,正面临着前所未有的生存危机。

为了获得新的食物来源,饥饿和头晕目眩的巴基鲸开始尝试在海里钓鱼,因为它还没有进化出鳍,吠叫的鲸鱼在水中钓鱼不能像现在的鲸鱼那样放松和自由地游泳,而是采用"狗刨"式的游泳姿势, 缓慢而笨拙。但是在水中的尝试给了它们一种甜味的味道,不仅获得了足够的食物,而且还摆脱了热量,同时避免了捕食者的威胁。出海的尝试使鲸鱼的祖先从陆地到海洋迈出了第一步。

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图3 巴基鲸(图片来源:哔哔声主音)

鲸鱼头长圆锥形,嘴长短,四肢强壮,尾巴细长,体毛丰满,外表非常丑陋,主要生活在浅海或湖岸陆地,以捕食鱼类、小动物为生,以食草为生。4900万年前,适应于生活在水中的陆地鲸鱼出现了,陆基鲸鱼也被称为行走鲸,即能行走的鲸鱼,是一种半水生哺乳动物,其习性与鳄鱼相似。

随着时间的流逝,4600万年前,一种更适合在水中生活的鲸鱼罗德鲸出现了,它的后肢又大又长,像桨一样。大约4000万年前,第一个海洋巨兽龙王鲸(Dragon King Whale)已经完全离开陆地在海洋中生存,它出现了,其细长(18米)的身体逐渐退化,后肢逐渐退化,前臂和尾巴长成鳍,形状发展成流线型。

到新石器时代末期(3400万年前),世界迅速变冷,南极冰盖正在形成,海平面迅速下降,龙鲸赖以生存的热带浅海环境消失,最终因无法适应气候变化而灭绝;三千万年前,矛齿鲸受到海洋优势大齿鲨的威胁,被迫前往能见度低、水温低的极地海洋深处,逐渐进化出声纳功能的回声定位,以适应黑暗海洋的深处,寻找猎物并避免攻击。四百万年后,随着气候的冷却和生活方式的改变,鲸鱼的体型开始增长,并最终进化成世界上最大的动物。

黑暗天空的霸主——蝙蝠

随着新一代的临近,在白垩纪末期大灭绝中幸存下来的动物们正在寻求自己的发展之地。蝙蝠的直系祖先仍然保留其原始外观:树木栖息地,以昆虫为基础的食物,夜间活动。

随着PETM活动的到来,蝙蝠的祖先迎来了新的发展机遇。在当时的北美内陆,气候变得非常温暖潮湿,周围有茂密的森林和大湖,河流和沼泽。在森林中飞翔的昆虫茁壮成长,蝙蝠祖先为了捕食飞虫而进化出"公共汽车拍打",并开始在树木之间频繁跳跃,进化到最终长出翅膀并具有一定的滑翔甚至飞行能力。

从那时起,地球经历了数百万年的高温时期(新石器时代早期气候,或EECO,图1),当时蝙蝠的祖先已经真正掌握了飞行能力并进化成真正的蝙蝠 - 伊希德蝠鲼(图4)和爪蝠。

5600万年前神秘的高温事件如何改变了哺乳动物的进化

图4 已知最早的蝙蝠,石垣蝠的恢复,是5250万年前在美国怀俄明州绿河群的早期新覆盖地层中发现的(照片:古生物学探索)

蝙蝠在夜间视力差,光线差。为了在不撞到树木的情况下捕捉快速移动的飞蛾,蝙蝠已经进化出超声波回声定位,以准确捕获飞蛾,避开障碍物并逃离捕食者。蝙蝠作为唯一真正能够飞行的哺乳动物,避免与陆地哺乳动物竞争,回声定位系统帮助蝙蝠避免与大多数鸟类的竞争,使它们能够在全球范围内传播,成为仅次于啮齿动物的第二大哺乳动物群。

人类祖先:灵长类动物诞生于天空

当然,这一时期动物进化中最重要的事件是现代灵长类动物的出现,它进化出了我们的人类祖先。

近日,中国科学院青藏高原研究所的一项研究表明,PETM期的快速变暖导致海面强烈蒸发,而陆地和海洋热量的对比更强,促使海风吹向亚洲大陆,携带更多的海洋水蒸气从热带海洋到东亚大陆, 导致降水充沛,即使在原来的干旱,沙漠和广泛的中国中部,气候突然变得潮湿;大面积茂密的原始森林受到欢迎。

最初分散的森林连接在一起,依靠它们生存的灵长类动物迅速传播到欧洲和北美,成为北半球最丰富的动物群之一。在中国中部茂密的森林中,有一种古老的灵长类动物,阿喀琉斯奇猴,在这里茁壮成长(图5)。

5600万年前神秘的高温事件如何改变了哺乳动物的进化

图5 阿喀琉斯奇猴复原图,湖北省松子发现的化石(于锡军图)

阿喀琉斯奇猴是非常小的灵长类动物,长7厘米,体重只有20到30克。它的头部很大,一双大眼睛有较好的视力,此时已经进化出早期的三色视觉,对红色有很强的敏感度,一眼就能从一片绿色的叶子上看到红色的果实。

它们的四肢纤细而灵活,主要是昆虫,属于白天的动物,白天更活跃,跳上树枝寻找食物。它的手和脚上的拇指可以与其他四个手指保持,这是一种身体结构,可以帮助它抓住树枝和食物。它身后的长尾巴在移动时保持身体平衡。阿喀琉斯猴是迄今为止发现的最早的灵长类动物,而远古猴在后来的进化中可能分为两组奇观猴和猿类,经过数千年的进化,人类分裂了。

海底甲烷的释放导致地球上的高烧

学者们也对这一奇怪的全球变暖事件的原因存在分歧。有彗星撞击假说和火山爆发,但大多数学者将其归因于天然气水合物(可燃冰)的分解。

随着1000万年前,5600万年前缓慢而持续的变暖过程,气温终于突破了一个临界点,南北两极的水域逐渐变暖,融化的天然气水合物深埋在寒冷的海底,分解产生大量的甲烷并将其释放到大气中。甲烷是一种超强的温室气体,比CO2强20倍以上。甲烷对CO2的快速释放和氧化,使地球温度瞬间飙升。幸运的是,这些大量的碳在后期阶段通过植物,土壤,岩石风化或海洋生物被吸收,导致气候迅速恢复到事件发生前的水平。

结论:古代新语言 - 新世界非常热门的事件可能会被复制

虽然关于PETM事件仍有许多未解之谜,但毫无疑问,快速变暖对地球上的生命产生了深远的影响。近年来,在全球变暖的背景下发生了洪水,暴雨和高温等极端天气事件。全球变暖是一把"双刃剑",有利有弊。需要注意的是,自工业革命以来,人类活动释放了大量的CO2等温室气体,加剧了温室效应,近年来人类的碳排放速度比PETM时期快得多!在过去的100年中,全球平均气温上升了0.7摄氏度,而在PETM期间,相同的温度上升了数千年。

显然,目前的变暖速度已经远远超过了PETM时期。一旦全球变暖失控,地球可能会面临另一个类似PETM的变暖事件,地球上的生命可能会面临另一次更新。也许哺乳动物会变小,人类在气候变化背景下的命运,人类将如何应对气候变化带来的挑战,这些都是值得我们深思的。

引用:

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[2] Secord R, Bloch, J I, Chester S G B, et al.变迁在古新世-始新世热最大值中最早的马的进化[J].科学, 2012, 335(6071): 959-962.

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