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物種多樣性下降,是恐龍滅絕的推手嗎?

藍羊_96
・2021/08/03 ・4265字 ・閱讀時間約 8 分鐘

距今約 6600 萬年前,一顆直徑至少 10 公里以上的天體,穿越遠古的大氣層砸向現今墨西哥灣所在地,掀起超過百米高的海嘯;受撞擊的地層粉碎,碎片和隕石的破片一起噴向大氣圈,而這第二波火流星的墜落引起了大範圍的森林大火、讓海洋迅速酸化。

在這個粉塵遮蔽陽光的寒冷世界中,沒有遭到地震和火災滅絕的生還者,在食物鏈支離破碎的狀況中,也紛紛倒下。

圖/ABelov2014, CC3.0

這個突如其來的災變,就是目前動物演化史上的五次大滅絕之一:最戲劇性且廣為人知的「白堊紀-古近紀滅絕事件」,俗稱「恐龍大滅絕」。這個事件摧毀了當時 75% 的生物,除了鳥類以外的恐龍、翼龍和各種水生爬行動物、菊石,以及其他難以計數的動植物,都逃不過這個劫數。

甫於今(2021)年 6 月底發表的新研究,調查整合 1600 筆的白堊紀 6 大主要類群的恐龍物種化紀錄後,認為在白堊紀的最後 1000 萬年間,可能有先發生氣候變遷、恐龍的多樣性普遍下降的狀況。而隕石,則是奠基在這壓力之上,造成恐龍滅絕的最後一根稻草。

如此驟變不可能完全在地球上銷聲匿跡,直徑達 180 公里的「奇虛樂隕石坑(Chicxulub crater)」,如今仍躺在猶加敦半島北端的海陸交界;白堊紀和古近紀地層交界處,那些帶有銥元素的深色地層,以及焚燒過的植物化石等,也都見證了這個全球性的災變。

奇虛樂隕石坑邊界。圖/NASA/JPL-Caltech, CC0
白堊紀-古近紀界線的邊界,位於美國科羅拉多州的25號州際公路附近。紅箭頭處即為白堊紀-古近紀界線(因富含銥而著名)。圖/Anky-man, CC3.0

以「演化動力學」發覺恐龍化石隱藏的訊息

隕石撞擊已經是此次滅絕事件公認的主要原因,然而是否有其他要素參與?

近期刊載在《Nature Communication》的新研究,以白堊紀恐龍中的六個主要類群——鴨嘴龍類、角龍類、甲龍類、暴龍類、馳龍類、傷齒龍類為對象,分析這些類群的全球性化石紀錄,以了解其它可能的影響因素;研究最後共累計了 247 個物種、1636 份恐龍化石紀錄。

這份研究以這些化石紀錄整合的數據庫,進行各類群的「演化動力學」模擬分析,主要涉及新物種形成和既有物種滅絕速率。當然,因為對象是化石,這些所謂的「形成」和「滅絕」,其實是根據最初與最後化石紀錄所在的地層年代做判斷。

在分析的過程中,除了以演化支為依據,每個類群內物種的多樣性趨勢分析,也以植食性(鴨嘴龍類、角龍類、甲龍類)與肉食性(暴龍類、馳龍類、傷齒龍類)分組,再將所有組別整合,以得知不同的食性間物種多樣性的變化是否有區別,以及整體恐龍類群的變化趨勢。

總體而言,研究分析顯示大約在白堊紀末滅絕事件前的 1000 萬年,也就是距今 7600 萬年前左右,恐龍的多樣性達到整個白堊紀的巔峰,但之後卻全球性地普遍下滑。

(圖左)分析6個恐龍類群的化石紀錄,從距今7600萬年前開始物種生成趨勢(藍色曲線)下降且滅絕趨勢(紅色曲線)上升。 (圖右)白堊紀的恐龍多樣性可能在中生代的最後1000萬年內下降。圖 / 參考資料1

環境變化與同類群競爭,內外交互的複雜作用

如果以食性來區分檢視,「植食性恐龍」的多樣性,在前述的距今 7600 萬年前,就已經開始降低;「肉食性恐龍」則稍晚,大約在距今 7200 萬年前開始下降。這有可能是因為,兩類恐龍在食物鏈處的位置不同,植食性恐龍多樣性下降造成的生態承載力降低,經過約 400 萬年的時間後,延遲反映在次級或更高級消費者的肉食性恐龍身上。

另外,同類群內的競爭,也會互相影響多樣性。例如在植食性類群中,鴨嘴龍的多樣性下降最慢,顯示鴨嘴龍的多樣化可能也間接排擠了角龍和甲龍類。而肉食恐龍,在類群內的競爭,又遠較植食性恐龍嚴重;例如每一種新的暴龍類出現,便會造成後續的新物種形成率下降 23.4%;但以草食性的角龍來說,一種新的角龍出現造成其他新的角龍物種形成率下降,僅有 13.1%。

18種原始角龍類的體型比較。圖/ Nobu Tamura, CC3.0

對照恐龍物種多樣性下降的時間點,「地質年代」在距今 7600 萬年前,是白堊紀倒數第二個地層期「坎帕期(Campanian)」,而從距今 7200 萬年前直到 6600 萬年前白堊紀結束,則是「馬斯垂克期(Maastrichtian)」。

過去的研究曾指出,坎帕期時北緯 35º 的北大西洋海水溫度為攝氏 35 度,然而到馬斯垂克期時,降低到攝氏 28 度。

海水溫度的變化,會與陸地的溫度變化連動,也涉及海平面的升降。新發表的研究認為,這股「長期氣溫持續降低」的趨勢,很可能是恐龍多樣性在白堊紀最末的 1000 萬年間下降的主因;而地理環境的變化、植物類群從裸子和蕨類,逐漸演替到以被子植物為主,也可能有影響,但不那麼顯著。

海水溫度變化帶動的氣溫下降,可能是恐龍多樣性下降的主因。圖/envato elements

「恐龍滅絕假說」長期持續的辯論題

綜觀近代古生物研究史,其實曾被提出的恐龍滅絕原因的假說多不勝數。1980 年提出的「天體撞擊說」雖然現在廣為科學界接受,但也是在經過長期的後續研究、累積相關地質證據後,才真正說服眾人。

撇開如外星人滅絕這類異想天開的想法,其它如恐龍蛋被恐龍自己/哺乳類吃掉、恐龍的蛋殼異常而使得生育率下降、無法適應被子植物逐漸增加的生態系、演化過於極端化而被淘汰……等假設,雖然從現今角度看似荒誕不稽,不過在當時的研究知識背景下,或許也是無可厚非的推論。

恐龍滅絕的假說各式各樣,其中包含恐龍把自己的蛋吃掉。圖/envato elements

近代,各種恐龍滅絕的假說中,有人曾提出「恐龍在白堊紀末是否逐漸脆弱化」這個命題,即使後來大致上已被「天體撞擊說」取代,但這個命題,也改為「在隕石撞擊前,恐龍是否已經脆弱化而無法從災變中復原」,並持續在不同派別支持者間爭論。

例如 2019 年的另外一篇同樣刊登於《Nature Communication》的文章,便持完全相反的觀點,認為在白堊紀的最末兩個地質階之間,以北美洲為例,棲地的多樣性和適居性並沒有下降;也就是說,整體環境並「沒有」變得比較不適於恐龍生存。

該篇論文也提出,坎帕階到馬斯垂克階間的恐龍化石紀錄差異,可能該歸咎於化石採集地點只偏重於少數地區,而這些地方剛好在坎帕期,有更利於保存化石的地理條件;而某些地區,則是甚至在馬斯垂克期時從陸地轉變為海洋環境,所以才更難找到恐龍化石。

坎帕階到馬斯垂克階間的恐龍化石紀錄差異,可能該歸咎於化石採集地點只偏重於少數地區。圖/envato elements

另外,關於「多樣性下降」,一篇在 2021 年較早發表,集中於討論暴龍對於身處生態系的肉食恐龍生態棲位影響的論文則認為,暴龍擁有在未成年時,中型肉食恐龍的輕盈快速體態、以及 14 歲後急遽成長達到的壯碩成年體態,使牠們能夠佔據於二種截然不同的生態棲位,也因此排擠其他中型肉食恐龍的出現。

馬斯垂克階的肉食性恐龍物種多樣性,缺乏中型肉食恐龍的現象可能是暴龍亞成體搶佔生態棲位造成。 圖 / 參考資料3

如果將未成年與成年的暴龍切分為兩個群體來分析,就可以彌補單就物種數來看的多樣性降低缺口。

對於反方論點,新發表的論文也提出一些反駁,例如暴龍對於文中分析的另二個肉食性恐龍類群,並沒有明顯的排擠效應;以及相對於白堊紀中的其他時期,最末的 2 個年代可能擁有最高的化石保存率,可以彌補化石挖掘地點和沉積條件的偏差問題等。

科學爭論無休止,在無限多解中持續修正

或許關於鳥類以外的恐龍如何滅絕的辯論,仍會持續下去。然而除了恐龍以外,正如文章開頭所提的,翼龍、蛇頸龍、滄龍、菊石,還有許多其他類群的生物,也都在這次大滅絕中消逝了。

包含地球史最大飛行動物風神翼龍(Quetzalcoatlus)在內的翼龍類,也在白堊紀-古近紀滅絕中覆沒。 圖 /
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002271

如果我們採信最新這篇論文的論證,也就是非鳥類的恐龍,是在白堊紀末的氣候變遷中逐漸衰退,所以才會在受到隕石打擊後無法再起,那麼,對於其他同時滅亡的類群,科學家又該如何做出解釋?

從另一個角度進行設想,假設我們可用科學精確驗證,有某個類群其實持續繁盛到白堊紀的最後一刻,完全是因為隕石撞擊和後續的驟變,才一夕全軍覆沒;那麼這是否就能用來反證,不論恐龍先前有沒有衰亡,面對隕石的衝擊都難逃一死,所以這 1000 萬年的衰退期不論存在與否,都非滅絕推手?

2018 年曾有個有意思的假說,認為現代鳥類的祖先之所以沒有在白堊紀末一同滅亡,是因為牠們體型較小且為地棲性,偶然地因此逃過撞擊後的海嘯和森林大火摧殘;反之,當時有些樹棲且飛行能力較強的鳥類,反而沒有逃過災變。

現代鳥的祖先,可能是地棲性鳥類,才逃過滅絕?圖/envato elements

無論類群的滅絕或是存活,箇中的原因,都需要反覆驗證討論。

地層中保存的化石是有限的,整個白堊紀-古近紀滅絕事件,除了「天體撞擊」這個共識以外,各類群為何會滅絕有各自的原因,難以一筆帶過。某些看似相關的跡象,可能彼此間並不存在因果關係;某些現階段無法聯想串連、看似不相干的事件,也有機會是整串骨牌中的幾個關鍵點。

科學的爭論可能永遠不會休止,也無法精準指向正確答案;但隨著研究的積累,終將有機會趨近真相所在之處。

參考文獻

  1. Condamine, F.L., Guinot, G., Benton, M.J. et al. Dinosaur biodiversity declined well before the asteroid impact, influenced by ecological and environmental pressures. Nat Commun 12, 3833 (2021). 
  2. Chiarenza, A.A., Mannion, P.D., Lunt, D.J. et al. Ecological niche modelling does not support climatically-driven dinosaur diversity decline before the Cretaceous/Paleogene mass extinction. Nat Commun 10, 1091 (2019).
  3. Katlin Schroeder, S. Kathleen Lyons, Felisa A. Smith. The influence of juvenile dinosaurs on community structure and diversity. Science 371, 941-944
  4. Linnert, C., Robinson, S., Lees, J. et al. Evidence for global cooling in the Late Cretaceous. Nat Commun 5, 4194 (2014).

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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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