正文共2951字，预计阅读时间约为8分钟
也可点击本篇推文音频，用耳朵聆听知识~
提起防晒霜，你会想到什么呢？是烈日出行的囊中必备品？还是帮助太阳能电池延年益寿的不老药？但是你一定很难将其与生物大灭绝联系在一起，然而，科学家不仅将之联系在一起，还获得了突破性的发现。
涂抹的防晒霜
图片来源：pixabay.com
中国科学院南京地质古生物研究所刘锋研究员与国际同行合作，通过研究该时期化石花粉粒中“防晒霜”含量的变化，发现臭氧层破坏导致二叠纪末陆地生物大灭绝的直接证据，研究成果于2023年1月6日在线发表于国际知名期刊《科学进展》(Science Advances)（点击文末“阅读原文”看论文）。
为了繁衍，植物开启防晒模式
植物体既需要阳光进行光合作用，为植物体生长提供能量，又要避免阳光中有害的紫外线对植物体特别是植物生殖细胞（孢子和花粉）中遗传信息的破坏。为了适应陆地辐射环境，陆生植物演化出了一些调控机制，以减少紫外线对植物体的伤害。
花粉外壁的分子结构图
图片来源：The molecular structure of plant sporopollenin
在植物体的生殖细胞中这种机制表现为植物的孢子和花粉的外壁中含有大量功能与“防晒霜”十分相似的化合物（香豆酸和阿魏酸），这些化合物可形成共振稳定的酚自由基，抵抗紫外线引起的氧化作用，从而保护脆弱的孢子和花粉，为陆生植物的传播和繁衍提供了保障。
现代植物学家已经观察到植物体可以根据周围的紫外线辐射环境，自动调节其生殖细胞外壁“防晒霜”的含量，同时这些“防晒霜”可以在惰性的孢子和花粉外壁中保存很长时间。因此，理论上我们可以通过对这些孢子和花粉中“防晒霜”含量的测定反推地质历史时期大气紫外线辐射强度。
迷雾重重的生物大灭绝
2.52亿年前的二叠纪末大灭绝是显生宙最大一次灭绝事件，造成了约81%的海洋物种和89%的陆地物种灭绝。科学家们普遍认为二叠纪末期西伯利亚大火成岩省的喷发造成的全球温室气体增加，全球变暖以及海洋酸化可能是引起这次灭绝的主要诱因。但对于这些环境因素如何影响陆地生态系统，目前还有很多争论。
一些孢粉学家在陆相二叠-三叠纪过渡剖面发现了一些畸形孢子和花粉，推测这些畸形孢子或花粉可能是由西伯利亚大火成岩省喷出的卤族元素造成的全球臭氧层破坏诱发的紫外线辐射增加引起的。
藏南曲布剖面二叠纪末期黑色页岩
图片来源：中国科学院南京地质古生物研究所供图
但通过对现代植物中产出的畸形孢子和花粉的研究表明，这些畸形花粉和孢子产生的环境背景十分复杂，干旱、空气污染以及植物体的外伤都有可能诱发植物体产生畸形孢子或花粉，所以，单凭在陆相二叠-三叠纪过渡剖面发现的少量畸形孢子和花粉，并不能直接证明二叠纪末期大灭绝期间存在全球臭氧层空洞（戳一戳，了解一下地球漏的这个洞）引起的紫外线辐射增加。
专业解谜还得看科学家
研究团队运用傅里叶变换红外光谱，对产自我国西藏南部二叠-三叠纪过渡剖面的1011粒阿里型花粉中的香豆酸和阿魏酸进行了定量测量，通过对这些花粉产出的红外光谱的大数据分析，发现在二叠纪末大灭绝期间地层中花粉外壁的香豆酸和阿魏酸含量明显高于灭绝前后化石花粉中该化合物的含量。直接证明了二叠纪末期大灭绝期间存在全球紫外线辐射增加的现象。
同时，研究团队也对剖面地层的有机碳同位素和汞的浓度进行了分析，发现这两个指标的异常波动与化石花粉中出现大量香豆酸和阿魏酸的层位基本相当，进一步确认二叠纪末期全球紫外线辐射的增加可能是由于当时剧烈的火山活动引起的。
点击展开
研究花粉有多难？
（刘锋研究员回忆）
我们团队使用的1011粒阿里型花粉化石都产自我国西藏日喀则市扎西宗乡曲宗村曲布剖面，是我们一粒一粒从显微镜下挑出来的。孢粉保存的过程中有可能会混入一些无机物，主要是物理的侵入，但混入有机物的可能性非常小，原因它是目前已知世界上最惰性的有机物，它几乎不与任何化学试剂发生反应，所以就很难混入。
研究最大的困难是样品太小，挑样极其艰难。我们用最先进的Eppendorf细胞操作工具，勉强提高了挑样的速率。但由于经费有限，没有购买Eppendorf电子操作手臂，而是用自己的手控制毛细管去挑选孢粉，第一次操作时因为手抖得厉害，当天就撞碎了三根毛细管，每根管1500元，心疼啊。我和我学生的手臂现在经过练习后非常稳定，抖动都不超过几微米。
另外就是仪器精度的问题，现在市面上常见的傅里叶变换红外光谱都不是专门用来测量花粉的，所以用来测量花粉这么小的物体后得到的信号都很小。找遍中国多家实验室，目前仅有上海岛津实验室可以让我们测这么小的物体。后期获得的光谱信号还是不算大，我们使用了一些数学算法，放大了这些信号，最终克服了这些困难。
曲布剖面二叠-三叠系过渡地层中发现的花粉化石（阿里粉）
图片来源：刘锋 摄
空气中紫外线辐射量的增加对整个陆地生态系统具有深远的影响。由于紫外线不仅对植物的生殖细胞具有很强的杀伤作用，同时也会对植物体叶肉细胞造成破坏。为了抵御紫外线对叶肉细胞的破坏，植物体会在其叶片中大量合成叶黄素、香豆酸和阿魏酸等，相应减少叶绿素的合成，从而导致植物体光合作用的减弱，进而使得植物体对于温室气体吸收能力减弱，进一步加重了二叠纪末期火山喷发引起的全球温室气体增加。
另外，叶肉中的叶黄素、香豆酸和阿魏酸等对于食草动物以及昆虫来说是一种很难消化且营养价值较低的化合物，所以紫外线辐射的增加间接影响了陆地食物链，可能是导致二叠纪末陆地食草动物以及昆虫大灭绝的主要原因。
臭氧层破坏引起的紫外线辐射增加对陆地食物链的影响
图片来源：Conor Haynes-Mannering
结语
以古鉴今，现在各国政府都在强调碳中和与碳达峰。但我们不能忽视植物的光合作用是全球最大的减碳和固碳过程，而这一过程很容易受到紫外线强度增加的抑制。
1987年蒙特利尔协定被执行后，各国开始减少使用氟利昂等卤族元素制冷剂，目前观测到南极洲上空的臭氧层空洞正在被修复。但我们其实不确定这个空洞是不是由于我们环保的活动而修复的或是其它环境因素修复的。我们也不确定这个修复过程是不是稳定的。二叠纪末期的陆地上的大灭绝其实是温室气体增加和紫外线辐射增强相互叠加引起的。现在地球的温室气体还是在不断增加，除此之外，我们还要注意紫外线辐射强度。以防两者叠加造成非常大的生态灾难。
看到这里，大院er不禁感慨，原来晒黑已经是紫外线的最轻惩罚了……
论文信息：
[1] Liu, F.*, Peng, H.P., Marshall, E.A.J., Lomax, B.H., Bomfleur, B., Kent, M.S., Fraser, W.T., Jardine, P.E.* (2023). Dying in the Sun: Direct evidence for elevated UV-B radiation at the end-Permian mass extinction. Science Advances 9, eabo6102.
该研究得到国家自然科学基金委、第二次青藏高原科学考察与研究、中科院战略性先导科技专项（B类）、德国研究基金会、自然环境研究委员会和人类前沿科学计划的资助。
作者：盛捷 刘锋
作者单位：中国科学院南京地质古生物研究所
版权说明：未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，并且严禁转载至微信以外的平台！
文章首发于科学大院，仅代表作者观点，不代表科学大院立场。转载请联系[email protected]
推荐阅读
科学大院是中科院官方科普微平台，由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营，致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声。
转载授权、合作、投稿事宜请联系[email protected]
大院er拍了拍你：不要忘记
点亮这里的 赞 和 在看 噢~