哲学家和历史学家托马斯·S·库恩曾提出，科学学科的行为很像生物有机体：它们不是缓慢而持续地进化，而是享受着长时间的稳定，期间穿插着罕见的革命，伴随着新物种的出现——或者在科学领域，新理论的出现。这种描述特别适用于我自己的研究领域，即大规模灭绝的原因和后果——那些周期性的生物剧变，在这些剧变中，地球上大部分生物灭绝，之后一切都变得不再一样。
自从两个多世纪前首次认识到这些历史性的大规模灭绝以来，古生物学家们认为它们是渐进事件，是由气候变化和生物力量（如捕食、竞争和疾病）共同造成的。但在1980年，当加州大学伯克利分校的一个团队在地理学家沃尔特·阿尔瓦雷斯的带领下提出，6500万年前导致恐龙灭绝的著名事件是迅速发生的，是在小行星撞击后发生的生态系统灾难中发生的，大规模灭绝的理解经历了一场库恩式的革命。在随后的二十年中，来自太空的天体撞击可能会打击地球上相当一部分生命的想法被广泛接受——许多研究人员最终开始相信，宇宙碎片可能至少导致了五次最大规模灭绝中的三次。随着好莱坞大片如《天地大冲撞》和《绝世天劫》的上映，公众对这一概念的接受度也随之固化。
现在，关于生命断续历史的另一种思维转变正在酝酿之中。新的地球化学证据来自地质记录中划定大规模灭绝事件的成层岩层带，包括对化学残留物（称为有机生物标志物）的令人兴奋的发现，这些生物标志物是由通常不留下化石的微小生命形式产生的。这些数据共同表明，灾难性撞击作为大规模灭绝的原因是例外，而不是规律。在大多数情况下，地球本身似乎以一种前所未有的方式成为了生命最大的敌人。而当前人类的活动可能再次将生物圈置于危险之中。
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后阿尔瓦雷斯时代
为了理解对撞击范式的普遍热情，回顾一下为其提供动力的证据是有帮助的。阿尔瓦雷斯以及他的物理学家父亲路易斯·W·阿尔瓦雷斯和核化学家海伦·V·米歇尔和弗兰克·阿萨罗提出的情景包含两个独立的假设：首先，一颗相当大的小行星——估计直径为10公里——在6500万年前撞击了地球；其次，撞击的环境后果扼杀了超过一半的物种。他们在一个厚厚的铱层中发现了撞击留下的痕迹——铱在地球上稀有，但在地外物质中很常见——铱层覆盖了全球。
在这个惊人的宣布后的十年内，凶手的指纹出现了，形式是在墨西哥尤卡坦半岛上显而易见的希克苏鲁伯陨石坑。它的发现消除了大多数挥之不去的疑虑，即恐龙的统治是否以一声巨响结束。与此同时，它也引发了关于其他大规模灭绝事件的新问题：如果其中一次是由撞击引起的，那么其余的呢？在过去的5亿年中，世界上大部分生命形式已经消失了五次。第一次这样的事件发生在奥陶纪末期，大约4.43亿年前。第二次发生在3.74亿年前，接近泥盆纪末期。其中最大的一次，大灭绝，发生在2.51亿年前的二叠纪末期，消灭了90%的海洋生物和70%的陆地植物、动物甚至昆虫[参见道格拉斯·H·欧文的《大规模灭绝之母》；《大众科学》，1996年7月]。全球性的死亡再次发生在2.01亿年前，结束了三叠纪，而最后一次大规模灭绝，发生在6500万年前，以众所周知的大爆炸结束了白垩纪。[分隔符]
地球能够，而且可能确实，消灭了自己的居民。
在1990年代初期，古生物学家大卫·劳普的著作《灭绝：坏基因还是坏运气？》预测，最终会发现撞击是所有这些主要大规模灭绝事件以及其他不太严重的事件的罪魁祸首。来自白垩纪和第三纪（K/T）时期之间的地质边界的撞击证据当然是并且仍然令人信服：除了希克苏鲁伯陨石坑和清晰的铱层之外，撞击碎片，包括散布在全球各地的压力冲击石，都证明了这次撞击。古代沉积物中的进一步化学线索记录了随后不久发生的全球大气成分和气候的快速变化。
对于其他几个灭绝时期，迹象似乎也指向“上方”。地质学家早在1970年代就将薄铱层与泥盆纪末期灭绝联系起来。到2002年，单独的发现表明三叠纪末期和二叠纪末期发生了撞击。在三叠纪层中发现了微弱的铱痕迹。对于二叠纪，据信包含捕获的地外气体的独特碳“巴克球”分子增加了另一个引人入胜的线索[参见卢安·贝克尔的《重复撞击》；《大众科学》，2002年3月]。因此，许多科学家开始怀疑小行星或彗星是“五大”大规模灭绝事件中四次的来源；例外是奥陶纪末期事件，它被认为是来自我们宇宙邻域中爆炸的恒星的辐射的结果。
然而，随着研究人员近年来继续探测数据，他们发现有些事情不太对劲。新的化石分析表明，二叠纪和三叠纪灭绝是持续数十万年的漫长过程。新获得的关于大气碳的兴衰（称为碳循环）的证据似乎也表明，生物圈遭受了一系列长期的环境破坏，而不是单一的灾难性打击。
并非如此突然的冲击
K/T事件的教训是，大型物体撞击就像一场夷平城市的大地震：灾难是突然的、毁灭性的，但却是短暂的——并且在灾难结束后，城市很快就开始重建。这种破坏和随后恢复的节奏反映在K/T灭绝的碳同位素数据以及化石记录中，尽管验证后者花费了科学界一段时间。在K/T边界本身预期的突然死亡确实在最小和最丰富的化石中可见，即钙质和硅质浮游生物的化石，以及植物孢子中可见。但是，一个群体中的化石越大，它们的灭绝看起来就越渐进。
古生物学家们逐渐明白，这种明显的模式受到正在研究的大多数土壤和岩石地层的大型化石样本稀疏性的影响。为了解决这个抽样问题并更清晰地了解灭绝的速度，哈佛大学古生物学家查尔斯·马歇尔开发了一种新的统计协议，用于分析化石范围。通过确定特定物种在给定时间段内灭绝的概率，这种分析方法可以从即使是稀有化石中提取最大量的信息。
1996年，马歇尔和我联手在他的K/T地层剖面上测试了他的系统，并最终表明，在欧洲，最丰富的较大型海洋动物菊石（与鹦鹉螺相关的软体动物化石）的逐渐灭绝实际上与它们在K/T边界本身的突然消失是一致的。但是，当包括我在内的几位研究人员将新方法应用于早期的灭绝事件时，结果与K/T剖面不同。我的小组对二叠纪和三叠纪晚期海洋和非海洋环境的地层研究表明，在边界附近，灭绝的发生更为渐进。[分隔符]
这种模式也反映在碳同位素记录中，碳同位素记录是理解灭绝速率的另一个强大工具。碳原子有三种尺寸或同位素，原子核中带中性电荷的粒子数量略有不同。许多人熟悉其中一种同位素，碳14（14C），因为它的衰变通常用于确定特定化石骨骼或古代沉积物样本的年代。但是，对于解释大规模灭绝，从地质记录中提取的更有用的一种信息是12C与13C同位素的比率，它可以提供当时植物生命活力的更广泛快照。
这是因为光合作用在很大程度上驱动了12C-13C比率的变化。植物利用来自太阳的能量将二氧化碳（CO2）分解为有机碳，它们利用有机碳来构建细胞并提供能量；对我们动物来说幸运的是，游离氧气是它们的废弃物。但是植物很挑剔，它们优先选择含有12C的CO2。因此，当植物生命——无论是光合作用微生物、漂浮的藻类还是高大的树木——丰富时，大气中剩余的CO2中13C的比例更高，而大气中的12C明显降低。
通过检查大规模灭绝事件之前、期间和之后的样本中的同位素比率，研究人员可以获得陆地和海洋中植物生命数量的可靠指标。当研究人员在图表上绘制K/T事件的此类测量值时，会出现一个简单的模式。几乎与包含矿物学证据（表明存在碎片）的所谓撞击层的铺放同时，碳同位素发生变化——13C在短时间内急剧下降——表明植物生命突然死亡并迅速恢复。这一发现与陆地上较大植物和海洋微观浮游生物的化石记录完全一致，它们在K/T事件中遭受了惊人的损失，但迅速反弹。
相比之下，我的小组在2005年初揭示的二叠纪碳记录，以及最近揭示的三叠纪碳记录，记录了植物和浮游生物在那两次大规模灭绝期间截然不同的命运。在这两种情况下，超过50,000至100,000年间隔内的多次同位素变化表明，植物群落被击倒，然后重新形成，但又受到一系列灭绝事件的干扰。要产生这样的模式，需要一系列小行星撞击，每次撞击间隔数千年。但是，在任何一个时间跨度内，都没有发生一系列撞击的矿物学证据。
实际上，对证据的进一步调查使人们对在那两个时期发生任何撞击的可能性产生了质疑。没有其他研究小组复制了最初在二叠纪末期边界发现的包含地外气体的巴克球的发现。来自该时期的冲击石英的发现也被撤回，地质学家无法就来自澳大利亚附近深海和南极洲冰层下的事件的所谓撞击坑是否真的是陨石坑还是仅仅是天然岩层达成一致。对于三叠纪末期，发现的铱浓度非常低，以至于可能反映出小行星的撞击，但没有K/T边界处看到的那种行星毁灭规模的撞击。但是，如果不支持撞击作为这些大规模灭绝的原因，那么是什么引发了大规模死亡呢？一种新型证据表明，地球本身能够，而且可能确实，消灭了自己的居民。
可怕的温室效应
大约在十年前，小群地质学家开始与有机化学家合作，研究地球历史上关键时期的环境条件。他们的工作涉及从古代地层中提取有机残留物，以寻找被称为生物标志物的化学“化石”。一些生物留下了坚韧的有机分子，这些分子在它们身体腐烂后仍然存在，并被埋藏在沉积岩中。这些生物标志物可以作为通常不留下任何骨骼化石的早已灭绝的生命形式的证据。例如，各种微生物留下了它们细胞膜中存在的独特脂质的痕迹——这些痕迹以新的质谱形式出现，质谱是一种按质量对分子进行分类的技术。[分隔符]
这项生物标志物研究最初是在早于动物和植物历史的岩石上进行的，部分目的是确定生命最初在地球上出现的时间和条件。但在过去的几年中，科学家们开始对大规模灭绝边界进行取样。令从事这项工作的人们大为惊讶的是，来自大规模灭绝时期（K/T事件除外）的数据表明，世界海洋不止一次恢复到极低的氧气条件（称为缺氧），这种条件在植物和动物变得丰富之前很常见。
在发现的生物标志物中，有大量微小的光合作用绿色硫细菌的遗骸。今天，这些微生物与它们的近亲光合作用紫色硫细菌一起，生活在缺氧的海洋环境中，如停滞的湖泊深处和黑海，它们是非常有害的角色。为了获得能量，它们氧化硫化氢（H2S）气体，这是一种对大多数其他生命形式有毒的物质，并将其转化为硫。因此，它们在灭绝边界的丰富存在为大规模灭绝原因的新解释打开了道路。
科学家们早就知道，在大规模灭绝时期，氧气水平低于今天，尽管原因从未得到充分确定。与大多数大规模灭绝相关的，大规模火山活动可能会提高大气中的CO2水平，从而减少氧气并导致强烈的全球变暖——长期以来一直是撞击的替代理论；然而，火山活动造成的改变不一定能解释二叠纪末期的大规模海洋灭绝。火山也无法解释陆地上的植物死亡，因为植被会在CO2增加的情况下茁壮成长，并且可能在变暖中幸存下来。
但是，来自二叠纪晚期和三叠纪晚期岩石的海洋沉积物中的生物标志物，产生了海洋范围内H2S消耗细菌大量繁殖的化学证据。由于这些微生物只能在无氧环境中生存，但需要阳光进行光合作用，因此它们存在于代表浅海环境的地层中，这本身就是一个标志，表明即使在二叠纪末期，海洋表面也缺乏氧气，但富含H2S。
在今天的海洋中，氧气从上到下基本上以相同的浓度存在，因为它从大气中溶解到水中，并通过海洋环流向下输送。只有在不寻常的情况下，例如黑海中存在的情况，地表以下的缺氧条件才允许各种各样的厌氧生物在水柱中茁壮成长。那些深海厌氧微生物会产生大量的硫化氢，硫化氢也会溶解到海水中。随着其浓度的增加，H2S向上扩散，在那里它遇到向下扩散的氧气。只要它们的平衡保持不受干扰，含氧水和硫化氢饱和水就会保持分离，它们之间的界面被称为化学跃层，是稳定的。通常，绿色和紫色硫细菌生活在化学跃层中，享受来自下方的H2S供应和来自上方的阳光。
然而，宾夕法尼亚州立大学的地球科学家李·R·坎普和迈克尔·A·阿瑟的计算表明，如果海洋中的氧气水平下降，条件将开始有利于深海厌氧细菌，它们会繁殖并产生更多的硫化氢。在他们的模型中，如果在海洋缺氧的时期内，深水H2S浓度增加到超过临界阈值，那么将富含H2S的深水与含氧表层水隔开的化学跃层可能会突然漂浮到顶部。可怕的结果是，大量的有毒H2S气体喷发到大气中。[分隔符]
他们的研究表明，在二叠纪末期，这种海洋上升流产生的H2S足以导致陆地和海洋生物灭绝。这种窒息性气体不会是唯一的杀手。亚利桑那大学的亚历山大·帕夫洛夫的模型表明，H2S也会攻击地球的臭氧层，臭氧层是保护生命免受太阳紫外线（UV）辐射的大气层。格陵兰岛的化石孢子中存在证据表明，臭氧层在二叠纪末期确实受到了破坏，这些孢子显示出已知由长期暴露于高紫外线水平引起的畸形。今天，我们也可以看到，在臭氧层“空洞”下方，尤其是在南极洲，浮游植物的生物量迅速减少。如果食物链的基础被破坏，那么很快更高级的生物也会陷入绝境。
坎普和阿瑟估计，从海洋进入二叠纪晚期大气的H2S气体量是今天火山释放的少量气体的2000多倍。足够多的有毒气体渗透到大气中，足以杀死植物和动物——特别是由于H2S的致命性随着温度的升高而增加。几次大小规模的灭绝事件似乎都发生在短暂的全球变暖时期。这就是古代火山活动可能发挥作用的地方。
在多次大规模灭绝事件发生前后，已知主要的火山事件已将数千平方公里的熔岩喷发到陆地或海底。这种巨大的火山喷发的副产品是大量二氧化碳和甲烷进入大气，这将导致全球迅速变暖。在二叠纪和三叠纪晚期以及侏罗纪早期、白垩纪中期和古新世晚期等时期，碳同位素记录证实，CO2浓度在灭绝开始前立即飙升，然后在数十万到数百万年的时间里保持在高位。
但最关键的因素似乎是海洋。加热使水更难从大气中吸收氧气；因此，如果古代火山活动提高了CO2并降低了大气中的氧气量，而全球变暖使得剩余的氧气更难渗透到海洋中，那么深海厌氧细菌就会变得容易产生大量的H2S上升流。呼吸氧气的海洋生物将首当其冲，而光合作用绿色和紫色H2S消耗细菌将能够在缺氧海洋的表面茁壮成长。随着H2S气体窒息陆地上的生物并侵蚀地球的保护层，地球上几乎没有哪种生命形式是安全的。
坎普的行星灭绝假说为二叠纪末期的海洋和陆地灭绝之间提供了联系，并解释了火山活动和CO2增加如何引发了这两种灭绝。它还解决了所有二叠纪末期遗址中发现硫的奇怪发现。中毒的海洋和大气层可以解释那次大规模灭绝后生命恢复非常缓慢的原因。
最后，这个提出的事件序列不仅与二叠纪末期有关。发生在5400万年前古新世末期的一次较小的灭绝事件，已被先见之明地归因于某种程度上由短期全球变暖引发的海洋缺氧时期。生物标志物和缺氧海洋的地质证据表明，这也可能发生在三叠纪末期、白垩纪中期和泥盆纪晚期，使得这种极端的温室效应灭绝可能成为地球历史上反复出现的现象。
然而，最令人不安的是，我们的物种在未来是否需要担心这种机制：如果它以前发生过，它会再次发生吗？尽管对每次古代灭绝事件中二氧化碳进入大气的速率的估计仍然不确定，但发生大规模死亡的最终水平是已知的。古新世末期所谓的“热灭绝”始于大气CO2略低于百万分之1000（ppm）时。在三叠纪末期，CO2略高于1000 ppm。今天，CO2约为385 ppm，似乎我们仍然安全。但是，随着大气碳以每年2 ppm的速度攀升，预计将加速到3 ppm，到下个世纪末，水平可能会接近900 ppm，并且可能会出现导致海洋缺氧开始的条件。在那之后多久可能会发生新的温室效应灭绝？这是我们的社会永远不应该发现的事情。