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還原6500萬年前恐龍滅絕 10公里小行星撞擊地球

6500萬年前強大的恐龍遭遇滅頂之災,帶你還原「事故現場」

被掩埋的奇克蘇魯布撞擊坑,位於墨西哥尤卡坦半島

藝術示意圖:奇克蘇魯布撞擊坑立體結構

據英國廣播公司(BBC)網站報道,在曾經滿是蕨類和灌木的低矮叢林中朝著天空努力生長的高大樹木如今不見了蹤影,所見只是突兀的樹榦殘枝矗立在原野之上。曾經在這片森林中穿行的恐龍發出的嘶吼聲也已經逐漸遠去,耳邊充滿著的是各種昆蟲惱人的嗡嗡聲,只有偶爾刮過的一陣疾風短暫地打破這令人難以忍受的寂靜。黑暗統治了一切:曾經那些在陽光下絢爛的色彩——藍色、綠色,還有間或出現的黃色和紅色都已經被抹去了。

這就是大約6600萬年前,當一顆直徑大約6英里(約合10公里)的小行星撞擊地球之後的情景。美國科羅拉多州西南研究所的行星科學家丹尼爾·杜達(Daniel Durda)表示:「在短短几分鐘或是幾小時之內,曾經鬱鬱蔥蔥,充滿生機的世界變成了一個完全寂靜,死氣沉沉的世界。尤其是在撞擊點周圍的方圓數千英里範圍內,那裡的一切幾乎都被徹底摧毀了。」

就像將一整塊拼圖的最後幾塊也拼湊齊全,科學家們現在已經大致勾勒出地球曾經經歷的這次巨大災難的諸多細節。當時這場浩劫幾乎抹去了地球上大約3/4的動物和植物物種,其中最有名的就是恐龍——儘管實際上它們中的很多後來以鳥類的形式倖存了下來。

但了解事情的大致情況是一方面,還想弄清一些更細節的部分,並查清為何有一部分生命形式能夠躲過這場浩劫而倖存下來則要顯得困難的多。

撞擊事件發生時橫掃墨西哥灣的巨大海嘯

撞擊事件產生的大量碎屑物籠罩了整個地球

重現奇克蘇魯布撞擊事件

科學家們最早是在上世紀1980年代首先提出了恐龍可能是在小行星撞擊事件中滅絕的設想。在當時這個設想非常大膽,引發了很大的爭議。後來到了1991年,地質學家們找到了那次撞擊發生的地點:位於北美洲墨西哥境內尤卡坦半島上的一個直徑大約180公里的撞擊坑遺迹。研究人員將這個撞擊坑根據距離它最近的小鎮的名字命名為「奇克蘇魯布」撞擊坑(Chicxulub)。

這個撞擊坑為什麼那麼久都沒有人發現?因為它位於地下,早已經在久遠的歲月中被掩埋。另外它北側的一半撞擊坑是在海底下,深埋在海底沉積物下方600米深處。

於是在2016年4月,研究人員開始在當地海岸外進行海底鑽探,並計劃獲取一條大約3米長的撞擊坑物質岩芯樣品。地質學家們將會分析樣品中岩性的改變,微化石成分,甚至是其中可能含有的DNA殘留成分。

美國德克薩斯大學地球物理研究所的西恩·古利克(Sean Gulick)參與了這一鑽探項目,他表示:「我們將目睹這次大撞擊事件的撞擊點附近毫無生命跡象的荒涼海洋,然後我們會觀察到生命逐漸再次復甦。」

當然,在此次鑽探工作開展之前,通過外部觀察,科學家們便已經能夠得到很多重要的信息。

尤其是考慮到這個撞擊坑的巨大直徑,科學家們能夠計算出此次撞擊將釋放出多少能量。根據這些信息,杜達和來自美國德克薩斯州月球與行星實驗室的大衛·科林(David Kring)對這次撞擊事件進行了細節過程模擬,並預測究竟是什麼事件導致了生命的重新復甦。研究人員隨後將通過對當地樣品中發現的化石記錄來檢驗這一模型預測的準確性。

美國史密森國家自然歷史博物館主管,古植物學家科克·約翰森(Kirk Johnson)表示:「所有的計算都經過的反覆的嚴格檢驗。你可以建立一個場景,讓你能夠親身走進撞擊發生的那一刻,也就是白堊紀的最後時刻。然後你繼續往前走,觀察撞擊發生過後數分鐘,數小時,數天,數月甚至數年的情景。」

撞擊濺射物大規模降落回地球,引發一場災難

三角龍是最後滅絕的一批恐龍之一

空前的災難

這項研究向我們展示的是一場空前的災難——一顆小行星以超過40倍音速的極高速度劃過天空,隨後狠狠地一頭撞向地面。這次撞擊產生的爆炸威力與100萬億噸TNT的爆炸當量相當,大約相當於二戰期間投擲在日本廣島的原子彈爆炸威力的70億倍。強烈的撞擊產生可怕的強大衝擊波掃蕩周圍的一切。

高達100~300米的巨大海嘯沖向墨西哥灣沿海地區,並在海底砸出一個深達500米的撞擊坑。撞擊產生了高達里氏10級的強烈地震,摧毀了整個撞擊點附近區域,強烈的衝擊波掃平了數千公里範圍內的一切森林樹木。最後,撞擊濺射到空中的數以噸計的岩石碎屑開始下落,將少數倖存下來的生命全部掩埋。

約翰森表示:「基本上你可以認為你正目睹的是一顆直徑10公里的子彈。從物理學上看這可真是不可思議——你將目睹難以置信的強烈爆炸,可怕的地震和海嘯,緊接著在數百平方公里的範圍內,樓房那麼大的巨大岩石和其他大量碎渣傾盆而下,埋葬一切生靈。」

但如果僅僅是這樣的局部性撞擊事件還不至於導致全球性的大滅絕事件,關鍵還在於其所引發的一系列更加嚴重的連鎖反應。當小行星撞擊地面時,瞬間的強大熱量導致大面積的地殼岩石被蒸發,大量碎屑如同升起的焰火一般從撞擊點飛濺而出,抵達高空。杜達指出:「撞擊的規模驚人,膨脹的高溫氣體球一直上升到大氣層頂部並進入了太空。」大量煙塵向著東西兩側擴散,最終籠罩了整個地球。隨後在地球引力的作用下,這些巨量的碎屑物質開始從空中落下。

隨著冷凝作用的進行,被蒸發的岩石物質凝結成粒徑小於一毫米的大量玻璃球並落到地面上。從如此高空落下,其速度幾乎和一架太空梭載入大氣層時的速度相當,導致地球外層大氣的劇烈加熱,在地球上的一部分地區,地面上的植物開始大面積起火。約翰森表示:「再入大氣層的大量撞擊濺射物產生的大量熱量將整個地球變成了一個超級大火爐,你無處可逃。」

來自大火產生的大量灰燼,加上撞擊產生的大量煙塵遮蔽陽光,地球逐漸陷入一段暗無天日的漫長冬季。在接下來的數月間,大量碎屑塵埃物繼續下沉,在整個地球表面覆蓋了一層厚厚的小行星撞擊碎屑物。直到今天,古生物學家們仍然能夠從化石岩層記錄中找到保存下來的這層物質。這個明顯的分界層於是便成為了所謂的「白堊-早第三紀界限」(K-Pg Boundary),這個界限標誌著地球生命進化史上的一次重要轉折。

高溫下,全球大片的森林被焚毀

在這場災難之後,全球幾乎所有的森林都被摧毀了

生態系統的崩潰

在2015年,約翰森在美國北達科他州境內沿著出露在外的K-Pg界限岩層徒步超過110英里(約合177公里)進行考察並沿途尋找相關的化石記錄。他說:「如果你仔細觀察,在這一層的下方(表明年代更老,譯者注)你會發現到處都是恐龍化石,但如果你觀察這一岩層的上方(表明年代更晚,譯者注),你會發現那裡已經沒有恐龍了。」

在北美洲,在「奇克蘇魯布」撞擊事件之前,整個化石記錄所呈現的是一片鬱鬱蔥蔥的原始森林,間或分佈著一片片的沼澤地和蜿蜒的河流,近地表覆蓋著一層厚厚的蕨類、水生植物和其他低矮植物。

當時的氣候要比今天更加溫暖,在地球的兩極地區也沒有冰蓋覆蓋,有恐龍生活在今天美國阿拉斯加州的北部,在今天的南極洲同樣到處都能看到恐龍和其他各類生命活躍的身影。

杜達指出:「你會發現當時的地球是一個和今天一樣,充滿多樣性,生命形式豐富多彩的世界。但在撞擊事件發生之後,尤其是在圍繞撞擊點附近的一片區域,整個環境幾乎就跟月面差不多荒涼,一片死寂,徹底的絕望。」

科學家們正在通過對這一界限岩層的研究反推這次撞擊事件產生的影響,全世界的研究機構已經在世界各地超過300處地點找到了K-Pg界限岩層。

約翰森表示:「和其他幾乎任何地質作用都不相同的是,小行星的撞擊是瞬間發生的,而不會持續一億年或者1000萬年那樣長的時間,那不是一個時期,而是一個時刻。因此當我們找到了指示這一事件發生的分界線之後,我們就能夠直接進行對比,看看在這個分界岩層的上方和下方,也就是這次撞擊事件發生的之前和之後分別有什麼樣的不同。」

在撞擊點附近,動物和植物要麼死於高溫炙烤,強烈的衝擊波,或是在史無前例的海嘯和地震中死亡,最後的一批倖存者則被從天而降的大量岩屑生生掩埋。而在遠離撞擊點的地區,甚至是在地球的另一端,那裡的生命仍然遭受了生態系統崩潰——比如陽光的消失引發的一系列災難所帶來的滅頂之災。

而在有幸躲過全球性大火的地區,極端的高溫摧毀了動物們的食物來源,普遍的酸雨污染了所有的水體,水源的供應也斷絕了。更糟糕的是,遮天蔽日的塵埃基本上阻隔了所有陽光,整個地球陷入漫長而徹底的黑暗,幾乎就像是在一個伸手不見五指的山洞深處,植物的光合作用終止了,食物鏈徹底崩潰。

科林指出:「隨著所有植物的死亡,植食動物們將無以為繼。而當植食動物大量死亡,那麼食肉動物也將很快步它們的後塵。生命的生存開始成為一項艱巨的挑戰。」約翰森表示:「在陸地上,一切都已經被燒毀,死亡,任何體型較大的生物都已經被餓死。」

化石記錄顯示,經過這無數的磨難,沒有任何體型超過浣熊大小的生命存活了下來。小型生物在這樣的災難面前擁有更強的倖存幾率,因為它們的數量較多,吃的比較少,繁殖速度快而且對新環境的適應性也比較強。

相比陸地,淡水生態系統遭受的破壞相對要好一些。然而在海洋里,整個食物鏈崩潰了。隨著漫長的黑暗冬夜阻斷了植物的光合作用,在撞擊發生時正處於生長季的半球會產生更加嚴重的影響。約翰森指出:「舉個例子說,如果撞擊發生時正值北半球的夏初,此時你切短陽光的供應就會對植物產生非常嚴重的影響。」

化石記錄顯示在北美洲以及歐洲的最北端地區,經歷這場大災難之後的恢復情況最好。這顯示當時當撞擊發生時,應當正處於北半球初冬。

美國西墨西哥州境內的「白堊-早第三紀界限」(K-Pg Boundary),這層白色地層的下方是白堊紀,裡面含有恐龍化石,而在這層地層以上屬於新生代,恐龍已經不見蹤影

除了鳥類之外,所有恐龍都滅絕了

生命的浴火重生

但即便是在遭受最嚴重破壞的地區,不久之後生命仍然復甦過來了。科林表示:「關於這次大滅絕事件有它的兩面性。它的一面寫的是:是什麼殺死了生命?而它的另外一面則寫著:哪些動物或植物擁有著最合適的性狀,能夠在這場災難中倖存下來並最終恢復並繁盛?」

當然,生命復甦的過程將是艱難的。生態系統的自我重建耗費了數百年乃至數千年的時間。而科學家們指出,在海洋中,有機物含量恢復到災難前的正常水平則耗費了大約300萬年之久。

就像今天的一場森林大火之後,一直被巨大樹冠壓抑的底層蕨類植物迅速生長並佔據已經被燒焦的大地。而在那些沒有蕨類分佈的地區,藻類和苔蘚成了主角。

而在少數受災並不太嚴重的地區,一些有幸熬過災難的物種開始大量繁殖,重新佔據這個已經沒有競爭對手和天敵的空曠星球。在海洋中,鯊魚、鱷魚和一部分魚類也同樣熬了過來。

恐龍的消失意味著新的生態秩序將會被重新建立起來。杜達表示:「正是在這樣一個空曠的生態體系中,我們哺乳動物的祖先開始大量分化繁衍,從而形成了我們今天所見豐富多彩的各類哺乳動物物種。」

當科學家們在這個春天開始進行鑽探時,他們將逐漸獲得一幅關於這個撞擊坑形成過程的更加清晰的圖景,這些信息將幫助研究人員更好地評估此次撞擊事件對當時地球的氣候環境所產生的影響。

約翰森表示:「我們將對撞擊坑內部進行詳細得多的分析。我們將了解很多關於能量分佈方面的信息,並最終弄清楚當地球遭受一個如此巨大的外來天體撞擊時將會發生什麼事情。」

一些嗜極生物能夠在一些極端惡劣的環境下生存

當然首先科學家們將會仔細檢查取上來岩芯的礦脈和裂隙中有沒有生命的化石痕迹。通過這種途徑我們能夠了解生命在這次大撞擊事件之後逐漸恢復的過程。古利克表示:「通過對生命恢復過程的觀察,我們將能夠回答一些問題。哪一種物種是最先恢復過來的?它是一個特殊種還是普遍種?發生了何種進化分異?發生的速度有多快?」

儘管有很多物種和生命個體永遠的消失了,但在它們的身後,其他一些倖存下來的物種則開始繁榮昌盛。這就是在地球漫長歷史中遭受多次大規模撞擊事件之後災難與機遇並存,周而復始的過程。

尤其重要的一點是,如果沒有一顆小行星在大約6600萬年前撞擊地球,那麼地球上生命的進化歷程將會完全不一樣——人類根本就不會出現。對此,科林指出:「有時候,我甚至會說奇克蘇魯布撞擊事件正是孕育人類誕生的大熔爐。」

科林甚至認為,類似這樣的巨型撞擊事件可能還曾經幫助生命在地球上的出現。當一顆小行星撞擊地球時,強大的衝擊熱量會在撞擊坑內的水熱活動持續維持超過10萬年左右。這種環境將非常有利於一些嗜熱菌以及超級嗜熱菌的生存,這些是一類非常特殊的生命體,它們可以在高溫的水體中生存。類似這樣的菌類完全是可以把這個還在沸騰的撞擊坑作為自己家園的。此次的鑽探工作將會對這一設想進行檢驗。

從地球誕生之初一直到大約39億年前,地球一直在連續遭受大量小行星、彗星和其他太空小天體的撞擊。在2000年,科林提出這樣的撞擊會產生地下水熱系統,就像可能曾經在奇克蘇魯布撞擊坑內出現過的那樣。這些高溫,富含化學物質成分的水熱系統可能孕育了地球上最早的生命形式。如果這的確是事實,那麼那些超級耐高溫的超級嗜熱菌可能就是地球上最早的生命形式了。



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