霸王龙和陨星坑——天体撞击如何导致物种灭绝

霸王龙和陨星坑——天体撞击如何导致物种灭绝
ISBN: 
978-7-5428-5637-1/N·868
出版日期: 
2013-07
开本: 
16开
页码: 
208
定价(元): 
36.00
作者: 
[美] 沃尔特·阿尔瓦雷斯
译者: 
马星垣 车宝印
  

目录

 

对本书的评价  1

内容提要  3

作者简介  5

前言  7

序言  17

 

第一章  大劫难  1

第二章  由岩石天书解读地球史  17

第三章  渐变论者对灾变论者  40

第四章  铱元素  56

第五章  寻找撞击地点  79

第六章  致使恐龙灭绝的撞击坑  103

第七章  奇克苏鲁布事件后的世界  128

 

注释  146

内容提要

 

        地球上发生过多次大规模的生物灭绝,它们似乎相当神秘。然而,其中最著名的那一次事件——恐龙灭绝,其起因在最近二三十年终于渐趋明朗。那是6500万年前,一颗彗星或小行星冲向地球,在墨西哥的尤卡坦半岛北海岸撞出一个巨大的陨星坑,同时造成环境剧变,最终致使大批动植物物种完全丧失继续生存的条件。在这场灭顶之灾中,最著名的牺牲品当推身躯庞大、形貌凶猛的霸王龙。

        本书的作者就是揭示这场灾变的关键人物——美国科学院院士沃尔特·阿尔瓦雷斯。本书之妙不仅在于向读者娓娓道出了恐龙灭绝的案情,而且尤为引人入胜的是,它步步深入地揭示了与此相关的全部科学思想和科学方法,使读者宛如目击这些科学家如何思考问题、发现线索、深入现场、历尽艰辛、终使整个事态真相大白。它是几位地质学家向传统观念挑战的故事,是另一些地质学家坚定地维护传统观念的故事,是发生争执和建立友谊的故事,是在遥远地区冒险、在实验室中辛勤测量的故事,是迷茫和发现的故事,是许多国家的科学家为解决一个令人神往的疑谜而共同奋斗的故事。

前言

 

        1980年,加利福尼亚大学伯克利分校的地质学家沃尔特·阿尔瓦雷斯和他的同事提出: 恐龙灭绝是由于一颗小行星撞击地球。当时我14岁,对恐龙、小行星和灾难性的爆炸混杂在一起的引诱无法抗拒。我仍能在杂志和书上看见这些景象——变了形的岩石撞击地球,有时是从天上看,有时是从一头行将灭亡的恐龙的眼中看。突然间,生命的历史比任何科幻影片都更值得拍成电影了。

        说是预见,还不如说是运气,我最后成了一名科学作家。20世纪90年代初期,我碰上好运开始这项工作,当时这一撞击之谜正在渐渐揭晓。在此之前,我所知道的沃尔特·阿尔瓦雷斯只是写在纸上的一个名字。现在,我可以打电话给阿尔瓦雷斯,同他谈论其他科学家发现的支持其撞击假说的证据——证据不仅表明白垩纪末期确实发生过撞击,而且揭示了撞击发生在何处: 一个沿着尤卡坦半岛海岸、被称为奇克苏鲁布的地方。“它把所有的事情都联系在一起了,”1991年阿尔瓦雷斯高兴地告诉我。我有幸注视事态的继续发展——随着一个直径100英里(160千米)的关键性环状地形在墨西哥湾下面现身,就像是从太平洋中捕捞到了一块小行星。

        及至1997年,此事已足够成熟,以至于阿尔瓦雷斯本人已经准备好在《霸王龙和陨星坑》一书中给出第一手资料。这是一部看看伟大的科学发现是如何作出的、可读性很强的作品。科学家注意到一些似乎不该出现的奇特事情,他们深思种种看似荒谬可笑的假设,然后成年累月地执着于检验这些假设。《霸王龙和陨星坑》说明了科学上的一条重要规则: 一些最令人深思的发现不是来自深究某一门单独的学科,而是在诸多学科交叉的边缘。如果不是从地质年代学到花粉化石、再到核爆炸的各方面专家通力合作,这个撞击假说将有可能毫无结果。

        《霸王龙和陨星坑》讲述的事情仍然相对前卫。我们科学作家有时会给读者带来某种误导: 新的研究工作突然解开了那些甚至最为深奥的谜。如癌症的治愈,生命起源的发现。但是,科学不像一罐速溶咖啡,它更像一桶葡萄酒。它的最终价值只是在许多年以后才会显露。在某些情况下,当反对它们的证据增多时,原来的想法就会变得乏味。随着岁月的流逝,其他假说则变得更充实、更精妙。在《霸王龙和陨星坑》出版后很久,撞击假说才逐渐成熟。今天,撞击假说被广泛认同为现代地质学与古生物学史中的一项伟大发现。但有时候,酒在成熟时会透出一种新的、始料未及的味道。这就是自从阿尔瓦雷斯首次出版他的书后,撞击假说的经历。现在它与当初首次发表时相比,已经具有不同的意义。

        20世纪70年代,当沃尔特·阿尔瓦雷斯和他父亲路易斯·阿尔瓦雷斯首次提出在白垩纪晚期有一次巨大的撞击时,他们最可怕的敌人并不是某一个人,而是一种观念。均变论的观念是,我们今天在地球上见到的这些过程,在往昔也同样起作用,经过漫长的时间,它们展现出我们周围的大部分景观,从高耸的山脉到深陷的峡谷。均变论的拥护者经常用它同灾变论(诸如洪水或火山喷发之类的剧烈突变造就了种种地质特征这一曾经流行的观念)相对垒。均变论取而代之的是,地球表面逐渐升起与沉降,岩石被点点滴滴地腐蚀,又一点点地成长。

        有许多理由使均变论有力地控制着地质学家的思想,并非不重要的是,作为对世界的一种解释,它相当成功。世界确实已经很老了,事实上地球的地壳板块每年都缓缓移动几英寸,成百上千万年之后,它们彼此慢慢地猛撞。碳酸钙的细雨降落到海底,构建了辽阔的石灰岩。

        我们今天对其尚无经验的一起突发事件可能留痕于整个行星,并使一整个地质时期落幕的想法,必定会引起怀疑。《霸王龙和陨星坑》提醒人们,曾有一段时间这样一种观念是有争议的,此书的价值由此即已足够。今天,白垩纪晚期的撞击是地质记录中最强有力的证据性事件之一。2007年,一个天文学家团队甚至证认出了他们宣称的撞击的根本起因——大约1.9亿年前,小行星带中的一次撞击迸发出在太阳系中横冲直撞的大量碎块。现在已经很清楚,奇克苏鲁布的撞击坑不是绝对独特的事件。在地球45亿年的历史中,大的小行星和彗星已经多次撞击它。地球表面除了均变循环外,仍有那些撞击的痕迹。最早发现的是俄罗斯一个名叫苏阿让维(Suavjrvi)的湖泊,它可以追溯到大约24亿年前。比较新的撞击痕迹仍然很清晰,而且为数众多。在最近的7000万年里,已知的撞击地点超过60个。在我们人类出现后,大约20万年前,这种撞击继续着。大约5万年前,一个铁陨星凿出了亚利桑那州那个直径达1英里(1.6千米)的陨星坑。在大气层中爆炸的陨星也造成了很大的影响,如1908年在西伯利亚的通古斯上空爆炸的陨星,夷平了数百平方英里的森林。

        这些发现提出了一个似非而是的悖论: 难道地球已经被撞击过那么多次,撞击实际上又是多么严重的灾难?从地质学的尺度看,它们只不过像是一只时钟的滴答声而已,算不上什么灾难。实际上,地球本身就是由大量岩石和冰组成的。我们的行星从这些碰撞中形成之后,大的撞击还延续了数亿年。一颗火星大小的小型行星,可能曾经撞上早期的地球,我们的月球就是由撞出来的碎石块形成的。地球新生的海洋也许被不断撞击的能量煮沸了。

        然而,撞击可能不仅仅引起了地质损伤。撞击还可能给我们的行星播种。彗星和陨星携带着氨基酸和其他构筑生命的“积木”,某些原始成分在穿过地球大气层下落时,可能幸存下来。近年来,一些科学家甚至提出,撞击可能已经将活的生物机体从一颗行星带到另一颗行星上。就在不久前,“胚种论”这一想法也像白垩纪晚期的撞击事件那样,被轻易驳回了。但今天看来,这种想法虽然尚未被确认,却似乎是有道理的。生命可能起源于一颗行星,然后扩散到另一颗行星上,撞击或许交叉污染了这些世界。

        奇克苏鲁布撞击这一发现,让许多科学家认真思考撞击在生命史中可能起的作用。均变论在进化论中也像在地质学中一样,是一个强有力的观念。事实上,正是在地质学均变说方面的早期教育,帮助达尔文发展了他的进化理论。达尔文论证了,生命呈现当前的多样性,大多应归功于我们今日在自然界中所见的那些过程。对一代人来说,自然选择的作用也许微不足道,但是成百万代之后,它有可能变成一种强大的力量。

        20世纪中期,进化论生物学家将达尔文的理论同遗传学和生物学的其他新发展结合起来,产生了常称的“现代综合论”。按照现代综合论,小的变异允许人口逐渐适应他们的环境。对于大规模的灭绝,现代综合论的带头人没有太多要说的,他们将灭绝看作一种渐进的过程,即一些世系战胜另一些世系以适应一个慢慢变化的世界。在白垩纪晚期,哺乳动物能够更好地适应逐渐变凉的气候,所以当恐龙灭绝时,它们存活了下来。

        现在古生物学家认识到,生命经历过无以抗拒的灾难。奇克苏鲁布的撞击给这样一次灾变提供了很好的第一瞥。现在的许多证据线索表明,它造成地面环境极度混乱,将二氧化碳和硫酸洒入大气,将地球罩上一道暗幕。食物网在陆地和海洋中瓦解,驱使一半物种灭绝。哺乳动物因为小、而且能在废墟中寻找食物,所以更能适应经受灾难。但这一优势仅存在于撞击后地质学上短暂的苏醒期。地球重又变回稳定、丰饶的状态,但恐龙再也不存在了,再也无法利用优越的环境了。(严格地说,是绝大多数恐龙再也不存在了,恐龙的一支后裔——鸟类——自此一直兴旺。)

        奇克苏鲁布撞击这种令人惊愕的效应,引起一些科学家思索: 在生命史中,撞击会不会是一种驱动力——也许驱动力正是它。有些科学家看到存在着2600万年的灭绝周期的证据,那是由周期性的小行星和彗星雨造成的。另一些科学家把注意力转向物种大规模灭绝的主要周期,以弄清撞击是否同样要对它们负责。今天科学家一般认同,大规模灭绝有5个主要轮回。白垩纪晚期的大规模灭绝看起来似乎很富于戏剧性,但这远远不是最大的一次。大约2.5亿年前,从二叠纪到三叠纪的过程中,陆地上大约70%的物种、海洋中大约95%的物种灭绝了。除了这“五大”轮回外,科学家还证认出大量规模较小的物种突然灭绝。

        一些研究者声称已经发现引发上述某些大规模灭绝的撞击,但是迄今还没有一个为科学共同体所接受。事实上,有很多证据表明: 撞击几乎从未影响过灭绝的速率。例如,2003年美国国家生态分析与综合中心的阿尔罗伊(John Alroy)调查了白垩纪晚期之后发生的所有撞击。然后,他将他们与妥善建档的北美哺乳动物化石进行比较。他发现撞击和灭绝速率变化之间没有任何联系。阿尔罗伊研究的某些较小的撞击对地球可能几乎没有影响,有几次撞击却留下了宽达50英里(80.5千米)或者更宽的陨星坑。阿尔罗伊也无法将地球遭受的破坏与那些重大的灾变对应起来。类似地,除了白垩纪晚期那一次外,围绕这“五大”大规模灭绝,没有显示出一次清晰的撞击证据。

        至少到现时,奇克苏鲁布是独一无二的。它为什么如此具有破坏性,而其他撞击却不然呢?它特别大,这是事实,形成了地球上迄今已发现的第三大陨星坑。它还可能碰巧撞上了地球上一个特别容易酿成灾难的地点: 一个浅海湾,沿岸的石灰石能导致极严重的破坏性污染。

        然而,即使撞击对于生命史并不具有压倒一切的影响,古生物学家仍然在奇克苏鲁布撞击的发现中看到了极其重要的一课。它把他们的注意力引向生命史上大规模灭绝的潜在重要性。古生物学家沃德(Peter Ward)在他2007年出版的《在绿色的天空下》(Under a Green Sky)一书中,详细叙述了阿尔瓦雷斯及其同事的工作如何激励他投身研究物种的大规模灭绝。四分之一个世纪的研究引导沃德断定,撞击也许并不是生物大规模灭绝的非常共同的原因,但其他种类的突发性灾变却有可能是。然而,那些灾变不是来自太空,而是从地球内部发生的。

        再次考虑2.5亿年前二叠纪—三叠纪的灭绝。今日的几条证据线索指向它们引起的一连串复杂事件。事件开始于西伯利亚涌出巨量的岩浆。这些所谓的泛布玄武岩带着来自地下的气体浸液,包括携带热量的二氧化碳和甲烷。行星的大气迅速变暖,海洋的表面也是如此。热开始将全球生态系统置于巨大的张力下,同时二氧化碳弥漫于海洋,开始使海洋酸化。

        但是,这种全球变暖实际上还只是整个灾难的前奏。变暖的结果,是使将氧气送往深海的海洋的正常循环减缓。现在,深海的环境为一些奇怪的微生物所喜爱,这些微生物称为硫酸盐还原细菌,它们会散发出硫化氢——一种有恶臭气味的分子,有时被称为沟道气。这种有毒气体上升到大气中,可能危及动植物生存,也许甚至有助于摧毁臭氧层。此时,来自太阳的有害紫外辐射便可以到达地面,危害植物和海洋中的光合作用机体,并由此累及它们所支撑的庞大食物网。沃德将2.5亿年前的地球想象为一个真正怪诞的地方——一个明净的紫色海洋释放出上升到淡绿色天空中的有毒气泡。二叠纪—三叠纪的生物灭绝是这一连串事件最有力的证据,与此同时沃德还指出来自另外9次大规模灭绝的证据均同这种机制相符。如果他是对的,那么令人惊讶的是,地球正是蹂躏平时由其养活的生命的始作俑者。

        奇克苏鲁布的意义不仅在于它提供了过去生物大规模灭绝的线索,它也促进科学家认真地考虑,遥远的过去能如何帮助我们了解人类未来面临的威胁。现在天文学家认识到,地球坐落在太阳系中一个小行星相当密集的部位。虽然能同6500万年前撞上地球的那块直径10英里的巨石相匹敌的小行星为数极少,较小的小行星或许倒是令人担忧的缘由。一个这类近地天体的撞击也许并不会造成全球性的生物灭绝,但是却有可能会严重损害人类文明。它可能会整个儿地毁掉一两个城市。通过往高处扬起尘埃,以及引起巨大的森林火灾,它可能会给地球罩上一层“幕”,致使农作物好几年都不能生长。目前天文学家正在努力紧盯特别危险的小行星,发展一种方式去辨认那些会与地球相撞的小行星。我们并不确切地知道,如果发现一颗小行星正向着地球而来时我们究竟该做什么,但是已经有许多方案可以使小行星偏离地球。 

        一些科学家还已警告,没有外太空涉足,我们也有可能制造出同样的地球黑暗——通过核战争。在20世纪80年代初期,当沃尔特·阿尔瓦雷斯及其同事首次发表撞击假说时,美国和苏联之间的核战争似乎是一种非常真实的危险。科学家们开始明白:这样的战争有可能导致长期生态的灾难。森林火灾产生的煤炱将会上升进入大气,遮天蔽日,造成一种所谓核冬天的环境。奇克苏鲁布撞击的警示看来很清楚——如果我们制造我们自己的奇克苏鲁布撞击,我们可能也会走上恐龙的灭绝之路。

        今天,美苏之间核大战的威胁似乎很小了。但是,其他国家正在发展核武器,地区性核战争的机会增大了。2007年3月,一队科学家创建了一个小型核战争的模型,发现它尽管未必会造成一场彻底的核冬天,却仍然有可能使天空变暗到足以引起极其严重的饥荒。

        但是,气候科学家现在认识到还存在着另一种危险,它来自我们将携带热量的二氧化碳释放到大气中——仅2006年就达110亿吨。在世界科学家中有一个广泛的共识: 在20世纪中,燃烧化石燃料以及其他人类活动,已经使地球显著地变暖。他们警告,在未来几个世纪中升温会更剧烈。它的影响也许不会像核爆炸或来自太空的撞击那样瞬时显现,但正如韦纳(Jonathan Weiner)在1990年出版的《下一个百年》(The Next Hundred Years)一书中所说,在地质学的尺度上,我们正在引爆一颗碳弹。今天二氧化碳在大气中增长的速率,要比数百万年来的增长快得多。

        气候科学家把他们的大部分注意力集中在所有这些额外的二氧化碳的直接影响上。他们已经考察在世界上的不同地区温度将会怎样上升。他们已经开始观看升温将会怎样改变天气的模式,潜在地带来更多的飓风和旱灾。他们已经计算仅仅由于海洋的扩张以及河流流量的增加,海平面会上升多高。只是在近年,他们才开始周密考虑全球变暖可能引起的更具灾变性的变化种类。可能(但是完全不肯定),格陵兰岛和南极洲的部分冰冠消退、突然滑入大洋,导致海平面灾难性地上升。一些科学家已经警告:全球变暖也许开启了温室气体的新源泉,例如现时冻结的泥炭中禁锢的甲烷,它有可能使温度上升得远远超过当前模型所说的程度。现在二氧化碳甚至正在渗入大洋,使海洋变酸,逐渐使某些有壳动物和珊瑚无法生长。

        全球变暖是否会引起硫酸盐还原细菌激增,产生大量致命的沟道气?科学家在作无把握的猜测前,还有很多东西需要学习。但是,生命的历史教给我们,我们必须非常认真地面对极大的危险。不同寻常的事情已经发生在地球上,而我们人类对此毫无经验。或者,至少迄今尚未经历过。

 

        卡尔·齐默(Carl Zimmer)

        卞毓麟译

作者简介

 

        沃尔特·阿尔瓦雷斯(Walter Alvarez),美国科学院院士,美国加利福尼亚大学伯克利分校地质学和地球物理学教授。其父路易斯·阿尔瓦雷斯(Luis Alvarez)是该校物理学教授,曾因发现许多亚原子粒子而荣获1968年诺贝尔物理学奖。在很大程度上,查明天体撞击地球如何导致恐龙灭绝,应归功于这父子俩的密切合作。

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