叶片矿道显示南半球从小行星撞击中恢复得更快

昆虫破坏的化石叶片表明,恢复速度比北半球快五百万年

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点


左图为叶片矿道,仍包含制造它们的昆虫的粪便(深色斑点)。右图为叶瘿(由昆虫引起的植物肿瘤——深色圆圈)。这两个化石都可追溯到白垩纪末期,就在撞击前半百万年。当昆虫袭击这些叶子时,恐龙仍然在地球上漫游,各位。 来源:Donovan et al. 2016

大约6600万年前,一块六英里宽的太空岩石撞击了地球,地点就在现在被称为希克苏鲁伯的地方。正如您可能听说过的,恐龙(和许多其他生物)没有幸存下来。

由此造成的破坏难以想象。撞击后的第二天,一年后,100年后,1000年后,地球是什么样子?地球变成一片黑暗、可怕的居住地持续了多久?仅仅是悲惨的状态持续了多久?我们无法确定,但我们确实知道,破坏是如此深刻,以至于生命在数百万年内都没有达到以前的多样性水平。请花点时间思考一下。


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最后一次冰河时代,人类普遍认为持续了很长时间,也仅仅持续了可怜的10万年,上下浮动。在北美,伴随小行星而来的烟雾弥漫的荒原让位于某种生命贫乏的空虚状态,虽然肯定会更快地变得绿意盎然和充满活力,但在900万年内都没有恢复到撞击前的多样性水平。至少,根据一种有点奇特的替代指标:昆虫对叶片的破坏。

叶片是很好的化石材料。它们通常是扁平的,并且在一定程度上耐腐烂,从而提高了保存的几率。在希克苏鲁伯撞击后的几千年里,植物掉落的叶片讲述了一个有趣的故事——不是通过它们自身的丰富性和多样性,或者至少不完全是那样——而是通过咀嚼叶片、使叶片骨骼化、刺穿、吸吮、采矿、形成瘿瘤和产卵的昆虫造成的破坏。这些动物造成的疤痕的存在与否可以告诉我们草食性昆虫的多样性,即使我们没有它们的身体。

叶片边缘的昆虫咀嚼痕迹(左上),叶片主脉上的圆形瘿瘤(右上),由刺穿和吸吮昆虫产生的叶片上的同心环形伤口和深色反应组织(左下),以及被较深反应组织包围的孔洞伤口(右下)。来自撞击后早期古新世沉积的岩石中的化石。来源:Donovan et al. 2016

到目前为止,大多数此类研究都是在今天发表在自然生态与进化杂志上的一项新研究的作者称为“WINA”,即北美西部内陆地区进行的。正如大多数人所知,WINA是化石天堂,这归因于干燥的气候和山地地形使古代岩层大量裸露在外。

并不是说来自WINA的化石有什么问题。只是它在北方,而且很少有人关注南方。希克苏鲁伯位于墨西哥的尤卡坦半岛,就像现在一样,它在白垩纪末期位于北半球的商业中心。WINA相对较近。但是南方发生了什么?南半球是物种的避难所吗?一个它们可以避免小行星破坏的地方?它后来是否成为生命可以重新殖民地球的基地?一些研究已经表明了这一点。

南半球的海洋浮游生物的灭绝率低于北半球,然后几乎立即恢复。澳大利亚的一些中生代植物在撞击后很久仍然存活,来自巴塔哥尼亚和新西兰的花粉数据也表明植物的灭绝程度很小。另一方面,南极洲周围的海洋无脊椎动物大量死亡。

作者说,到目前为止,还没有人研究过南半球跨越K/T界线的植物叶片随时间的变化。但是化石叶片提供了一种衡量植物食性昆虫多样性的简便方法。如今,热带雨林叶片上昆虫食性破坏的多样性与造成破坏的昆虫的多样性相关:破坏越多,多样性越高。

在北美,昆虫对叶片的破坏——特别是那些倾向于专门针对一种或少数几种植物物种的昆虫(如潜叶虫和瘿瘤形成者)造成的破坏——在撞击后直线下降。多样性长期保持在低水平,然后在大约900万年后的变暖时期最终反弹。

在这项研究中,科学家对阿根廷巴塔哥尼亚四个地点的化石叶片上的昆虫破坏进行了分类。这是其中之一

在阿根廷巴塔哥尼亚丘布特省的帕拉西奥德洛斯洛罗斯2号化石植物地点进行的挖掘景象。这些岩石形成于大约6400万年前的早古新世。来源:Peter Wilf

他们特别关注潜叶虫道,因为它们的建造者对寄主具有特异性,矿道提供了丰富的形态细节,并且这些也是WINA叶片研究的重点(我真的很喜欢这个WINA的东西。我想这就是以后当人们问我住在哪里时我要说的。)

总体而言,科学家发现巴塔哥尼亚在白垩纪末期大灭绝前后都存在更多样化的叶片破坏——揭示了一个以前未知的昆虫多样性热点,作者说。这一点尤其引人注目,因为在更长的时间段和更大的空间范围内,对WINA进行了更多的标本研究,而这项单一研究的结果已经超过了这些总数。

然而,南方也未能幸免于难。在白垩纪末期撞击之后,南方的多样性也出现了下降。白垩纪末期和最早的古近纪之间,所有昆虫对叶片破坏的多样性下降了21.7%。然而,相对而言,南半球的恢复速度是北半球的两倍。从撞击后约75万年到200万年(左下图),破坏多样性反弹了15.4%,并在仅仅咳咳,200万年内达到了接近撞击前的水平。

基于400片叶子的随机抽样,来自巴塔哥尼亚和WINA的晚白垩世和古新世叶片的昆虫食性破坏丰富度。 a = 基于破坏类型 (DT) 数量的总昆虫破坏丰富度。 b = 潜叶虫道多样性。 来源: Donovan et al. 2016

潜叶虫道多样性——再次强调,这是对高度寄主特化,从而更高度进化的昆虫的更敏感的衡量标准——在撞击前半百万年和撞击后75万年之间骤降了30%,但在四百万年内接近白垩纪末期的水平,比北方的潜叶虫道早了整整五百万年(右上图)。

当科学家非常仔细地观察矿道时,他们确定似乎没有白垩纪巴塔哥尼亚潜叶虫物种在撞击中幸存下来,这与WINA观察到的模式相同。南方半球是食叶昆虫避难所的想法似乎没有得到这些化石的支持。

然而,在大灭绝之后,巴塔哥尼亚的恢复和多样化似乎发生得更快。在WINA,大灭绝之后,潜叶虫道非常罕见,并且只有一种类型。另一方面,在巴塔哥尼亚,多样化的潜叶虫道在灭绝后相对较快地出现,到四百万年后至少出现了11种不同的类型。

因此,这些数据支持了南半球从希克苏鲁伯撞击中恢复的速度比北半球快得多的观点。当然,巴塔哥尼亚只是南方众多地点之一,但如前所述,来自南方其他地点的花粉数据似乎也支持这些结论。仅仅是因为南半球离撞击地点更远,还是还有其他未知的力量在起作用?

今天从我的WINA窗口向外看,很难想象6500万年前撞击后的景观。也许地球开始变得像现在这样可观的速度会让我感到惊讶。但是,可怕的撞击显然是如此深刻,以至于它不仅抹去了恐龙,甚至还消灭了在叶片中开凿隧道的微小昆虫物种。

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