在过去的20年里，显生宙的古温度数据呈现快速增加，特别是表层海水的古温度数据，包括来自牙形石、箭石等化石的氧同位素（δ¹⁸O）、碳酸盐团簇同位素（Δ47）和有机地球化学古温度指标（TEX₈₆）等。显生宙80%以上的化石氧同位素在过去20年内产生（图1），为研究地史时期生物灭绝与气候变化的关系提供了条件。

图1 显生宙化石氧同位素的发表时间，基于显生宙低纬度区化石氧同位素数据库（Song et al., 2019）

古生物学数据库作为较早开展大数据的平台，不断增长的化石数据为更准确地评估生物多样性变化和灭绝情况提供了保障。该研究利用近4万个化石属、85万多条化石记录计算了4.5亿年以来海洋生物灭绝率变化，并与古温度变化进行对比。

图2 显生宙生物灭绝率与温度变化的幅度和速率对比

图3 显生宙生物灭绝率与温度变化的幅度（ΔT）和速率（R）的相关关系

图4 显生宙五大灭绝与温度变化的幅度和速率的关系

研究发现显生宙的五大灭绝事件与气候变化（变暖或变冷）的阈值有关，该阈值等于温度变化幅度>5.2℃，且温度变化率>10℃/Myr。并且背景灭绝和小灭绝事件期间，温度变化的幅度和速率都没有超过5.2℃和10℃/Myr。这说明温度变化幅度>5.2℃和速率>10℃/Myr可能代表了五次大灭绝的关键阈值（图4）。

生态实验和海洋调查观察表明，温度是影响生物生存和多样性变化的重要因素。当温度达到生物生存的上限或下限时，温度的上升或下降会导致海洋生物的死亡。气候变化也可以通过改变物种的相互作用而导致多样性的下降。在气候变暖的情况下，物种无法追踪其偏好的栖息地，也会增加灭绝的风险。此外，气候变化的速度对栖息地的可用性起着至关重要的作用。温度的快速变化会导致生态系统适应的时间减少，并导致生境的大量丧失。

该研究结果并不排除其他因素在大灭绝事件中的作用，如火山喷发、外星撞击、海洋酸化和缺氧，因为这些因素通常可以与气候变化有关，有些是气候变化的触发因素，有些是气候变化的连锁效应。例如，大规模火山喷发可以释放大量的二氧化碳，导致全球迅速变暖。白垩纪-古近纪之交的变冷事件是由希克苏鲁伯撞击引发的"撞击冬天 "造成的。海洋缺氧通常与全球变暖有关，因为温度上升不仅会降低海水中的溶解氧含量，而且会削弱洋流的循环，从而限制氧气从海面向深海的运输。

图5 全球平均气温变化 (Tabaldi et al., 2021)

该项研究结果对当前气候变化和生态响应有重要的启示意义。自1850年以来，全球平均气温已经上升了约1°C 。按照碳排放最坏情景下(SSP5-8.5)，到2100年预计地球平均气温将上升超过5度（图5），这将达到地史时期五次大灭绝的气候阈值。以史为鉴，当前全球变暖一旦超过这个阈值，海洋生态系统很可能会遭到灾难性打击。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院先导项目的资助。

论文信息：Song, H.*, Kemp,D.B., Tian, L., Chu, D., Song, H., Dai, X., 2021. Thresholds of temperature change for mass extinctions. Nature Communications, 12(1): 4694. https://www.nature.com/articles/s41467-021-25019-2