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恐龍輓歌—壓垮白堊紀末生物生存的最後一根稻草

中華民國地質學會_96
・2016/06/01 ・2515字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 583 ・九年級

文/林立虹|台灣大學地質科學系教授。

Deccan_Traps_volcano
圖/By National Science Foundation, Zina Deretsky – , Public Domain, wikipedia.

由中生代地層挖掘出來的恐龍化石,除了為電影製片創造出形形色色的螢幕角色,更是許多人對過去的地球絕大部分的想像與認識。然而,一旦跨過了白堊紀與第三紀的地層交界(66.043 百萬年前),這些「迷人」的生物,便於地球上驟然消失;不僅於此,約有 75% 的動物與植物伴隨恐龍而滅絕,這個時間(或地層)的界面代表了地球第二大生物滅絕事件,同時也為哺乳動物的出現拉開了前奏曲。

造成這樣生物大滅絕主要有兩個可能的機制,其一為隕石撞擊地球,另一個則是在印度大陸上的 Deccan Traps 所代表的大規模的岩漿噴發事件。

隕石撞地球

Impakt
圖/NASA,公有領域,wikipedia

其中隕石撞擊地球的概念,於 80 年代由 Alvarez 博士提出,大概是最廣為人知且具說服力的;經由過去許多的觀察、測量發現,最強而有力的支持證據,即為於這時間界面上,廣布全球的沉積岩層中均含有高 Ir 元素的含量;由於 Ir 是親鐵性質的(siderophile),因此在行星分化的過程中較容易富集於類似地核的環境,或存在於其他分化程度較小的星體。在白堊紀–第三紀交界處沉積岩的 Ir 元素濃度,可達地球地殼平均濃度數百倍,因此最為可能的解釋,即為隕石撞擊所產生的隕石與地殼岩石的粉塵,進入大氣層循環,而飄散至世界各地沉積而成。另外衝擊石英(shocked quartz;是由 coesite 以及 stishovite 所構成)以及球狀玻璃質的 tektite 的出現與分布,均指示隕石撞擊的發生。

後續的研究顯示,造成這樣的撞擊,需要一個直徑約十公里的隕石,而最為可能的撞擊地,即為位於墨西哥東南方 Yucatán 半島,直徑達 180 公里的 Chicxulub crater。為了深入了解造成這地球第二大生物滅絕的撞擊事件與機制、接續的生物圈回復速度與演化、現生獨特的深部生物圈,科學家們已於今年三月啟動鑽井,希望能於 650–1500 公尺的深度,鑽取撞擊層以及被撞擊的岩石進行研究;關於此鑽井規劃與目標,請參考 Hand (2016) 的報導。

岩漿噴發

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圖/skeeze@pixabay, CC0 public domain.

另一個可能造成此生物滅絕事件的機制為大規模的岩漿噴發。位於印度西方的 Deccan Traps 為大陸洪流式玄武岩(continental flood basalt)所構成,涵蓋面積達五十萬平方公里,總體積達五十餘萬立方公里,屬於目前已知、為數不多的大型火成岩區(large igneous province;涵蓋面積須達十萬平方公里以上,形成通常與地函熱柱有關)。由於其噴發主要時間與白堊紀–第三紀界面十分接近,因此也成為一個重要的候選機制。然而其噴發時序,可自 68 Ma 即開始,持續至 65 Ma,因此並無法提供一個驟時、毀滅性的機制,解釋生物快速滅絕的地層紀錄,此機制因此逐漸淪為配角,提供輔助隕石撞擊造成生物滅絕的額外成因。

地球的故事當然沒有如此簡單就寫下完結篇。柏克萊大學的 Renne 等人利用高精度的 Ar-Ar 與 U-Pb 定年技術,配合地球化學資料的對比、野外實察,檢視 Deccan Traps 的年代、分布與特徵,發現生物大規模的滅絕並無法單純歸因於隕石撞擊或岩漿大規模噴發,並推測兩種機制可能有成因上的關聯。Deccan Traps 上的地層,由老至新大致可區分成 Kalsubai 、 Lonavana 與 Wai 三個次群,其中最為年輕的 Wai 次群,分布面積最廣、體積最大,並於熔岩流間,出現了遠遠高於於另外兩個較老次群地層頻率的氧化、紅色層狀物質。這些紅層代表古土壤,並指示了熔岩冷凝後長時間的風化作用,因此也反應了岩漿的噴發是間歇性的,每次噴發事件間的時間間距是較長的;另外,Lonavana 與 Wai 次群的地球化學的特徵、主岩脈侵入的方向是不同的。種種的觀察皆顯示了,岩漿活動的特徵於這兩個次群界面所代表的時間前後有顯著的不同,而少量或不夠精確的定年資料顯示,這時間界面可能與白堊紀–第三紀界面十分接近。

為了釐清 Deccan Traps 每一次群地層所經歷的時間,並進一步推算不同時間間距的岩漿噴發速率,Renne 與其實驗室成員近年來分析了玄武岩分離出的斜長石,透過高密度的標準品校正,可以使得年代的誤差降至 30 萬年之內;他們並統整了過去分析所得的鋯石年代,對比噴出岩的地球化學特徵,建立每一次群於特定時間的分布與岩漿噴發體積,配合年代的資料,計算岩漿噴發體積速率隨著時間的變化。

他們的計算結果顯示,於白堊紀–第三紀界面之前,Kalsubai 次群所得得到的噴發體積速率為 0.4 km3/yr;而於白堊紀–第三紀界面之後的 Wai 次群的噴發體積速率,則可達到 0.9 km3/yr;位於其間的 Lonavana 次群,為約 0.6 km3/yr 的噴發體積速率。噴發體積速率於白堊紀–第三紀界面後的倍增,可對應至代表古土壤的紅層出現頻率大幅增加、較高地函貢獻比例的岩漿成分,這些證據均指示了岩漿的產生與流通系統,於這時間界面上發生顯著的改變。

綜合上述,較大的岩漿噴發速率、較大的熔岩涵蓋面積與體積、較多的地函貢獻比例等證據,指示了較大體積且較深的岩漿庫(可能深至莫合面深度),而岩漿庫於單一噴發事件後的補注時間間距勢必增加,因而導致較長的噴發間歇期。若將這噴發速率的轉變對應噴發時間進行內插計算,前述岩漿系統的改變,發生於隕石撞擊 Chicxulub 後的五萬年以內。雖然無法由此直接建立隕石撞擊如何改變岩漿系統的特徵,然而時間的高度雷同,指示了這兩個機制的重要關聯性。

Deccan Traps 的高精度定年分析顯示,於白堊紀–第三紀界面發生的隕石撞擊,可能啟動了低頻卻高速率的岩漿噴發活動,此岩漿活動持續了五十萬年,並延遲了第三紀海洋生態系統的回復。

主題參考資料:

其他參考資料:

本文轉載自「星期五的地質– Friday Geology」,由中華民國地質學會授權轉載。


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中華民國地質學會_96
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中華民國地質學會的前身「中國地質學會」成立於民國11年(西元1922年)當時的北平,民國46年在台灣正式於內政部立案在台北復會,民國95年更名為「中華民國地質學會」,並於民國100年核准登記為「社團法人中華民國地質學會」。目前有效會員近500人,實際參與過學會的人次已超過2000人。本學會成立之宗旨在推動我國地球科學教育與研究之發展,解決各項有關地質的問題,以及促進相關工作者間知識與意見之交流。本會定期出版學術刊物、舉辦座談會及學術演講會、委託會員進行專題討論,並接受公司機關之委託,研究相關之地質問題。


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


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