CB：生态计算模拟揭示2.52亿年前大灭绝中海洋生态系统彻底坍塌比生物多样性崩溃晚6万年

近日，我校陈中强教授研究团队联合美国加州科学院Peter Roopnarine教授和英国Bristol大学的Mike Benton教授在国际著名的Cell出版集团旗舰期刊《当代生物学》（Current Biology）线上发表了一项题为《The stability and collapse of marine ecosystems during the Permian-Triassic mass extinction》的研究成果。这项研究通过生态计算模拟对广为争议的二叠纪–三叠纪之交生物大灭绝模式进行客观定量评价，结果表明海洋生物在本次生态大危机中遭受了两幕式灭绝的打击。在大灾难的第一幕中生物多样性突然全面崩溃，而整个生态系统则在6万年之后才完全坍塌，展现其韧性的一面。生态系统在面对极端环境生态大危机时表现出惊人的抗灾恢复能力；尽管生物多样性全面崩溃，但直到6万年后，在海洋酸化以及长时间的高温和缺氧多重灾难打击下生态系统才彻底坍塌。文章第一作者为生物地质与环境地质国家重点实验室的黄元耕副研究员，通讯作者是陈中强教授。

在地球生命的长河上，生物经历了至少五次大灭绝的洗礼。每次大灭绝最直接的表现是生物多样性的锐减，但与之伴随的生态系统稳定性和抗灾恢复能力却鲜为人知。2.52亿年前（即，二叠纪–三叠纪之交）的大灭绝造成海洋80%以上物种永远消失，同时永久地改变了生态系统结构，为古生代演化型动物群向现代演化型动物群交棒铺平了道路。因此，这次极端事件为我们评价生态大危机中生物多样性与生态系统结构的演化关系提供了一个绝佳的窗口。

我国南方地区记录了全球最好、最连续的二叠系–三叠系界线地层，经过海内外专家近半个世纪的研究，已经甄别出各门类生物多样性的变化特征，发现不同类群的生物表现出不同的灭绝模式，而整个生态系统的坍塌过程却很难客观评价和复原。陈中强课题组开发的古群落生态数据库结合古食物网模型是一种国际前沿的“第四范式”研究方法，主要利用生物之间捕食关系这一关键抓手，将生态系统底层的初级生产者至最高层的顶级捕食者全部联结在同一食物网中（图1），借助生物群落动态模拟技术，定量分析其网络结构及结构稳定性的演化规律。该种国际前沿的大数据和计算模拟方法可以让我们从一个更为整体和宏观的视角去揭示生态系统在重大地质突变期的演化历程。该团队前期已利用该方法成功地重建了二叠纪–三叠纪之交陆地生态系统的坍塌与复苏过程（Huang et al., 2021, Proceedings of the Royal Society B）。

图1. 二叠纪-三叠纪之交大灭绝前、后海洋生物多样性崩溃、食物网简化和生态系统坍塌过程景观复原图（创作设计：陈中强、黄元耕；绘画：姜雅奇，中国地质大学（武汉）艺术传媒学院研究生；指导老师：徐莉副教授）。

本研究选取华南地区9条具有高精度时间地层格架的二叠系-三叠系界线地层剖面，汇编研究剖面记录的所有古生物数据，将其分为大灭绝前（Clarkina yini 牙形石带）、其间（C. meishanensis–Isarcicella staeschei牙形石带）和大灭绝后（I. isarcica牙形石带）三个时间段。生态模拟发现在大灭绝第一幕后，生物多样性锐减一半以上，但生态系统的功能群数量、网络营养等级、嵌套性和模块度等生态指标都没有发生根本性变化，其抗灾恢复能力也仅仅略有下降（图2）。相反，大灭绝第二幕之后，各种生态指标显著变化，群落稳定性完全崩溃式下降。因此，本次生态大危机中生物多样性和生态稳定性的变化是解耦的，大灭绝的第一幕主要表现为生物多样性锐减，第二幕则以生态系统彻底坍塌为特征，两者相距约6万，从此，以现代演化型动物取代古生代演化型动物主宰了海洋各个角落。同时，这也意味着在重大灾难事件，比如当今人类所面临的第六次生物大灭绝发生时，生物多样性的锐减可能是紧跟其后、更具灾难性的生态系统崩溃的先兆。

图2. （A-B）煤山金钉子剖面“大灭绝前群落”及“大灭绝后群落”的“波动-次生灭绝”模拟结果图。（C-D）两种定量指标均显示生态系统稳定性在大灭绝的第一幕前后变化不大，却在第二幕之后显著降低。

上述研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划项目和美国国家科学基金会的共同资助。

相关论文信息：

Huang, Y.G., Chen, Z.-Q., Roopnarine, P.D., Benton, M.J., Zhao, L.S., Feng, X.Q., Li, Z.H., 2023. The stability and collapse of marine ecosystems during the Permian-Triassic mass extinction. Current Biology 33, 1-12.

https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.02.007

Huang, Y.G., Chen, Z.-Q., Roopnarine, P.D., Benton, M.J., Yang, W., Liu, J., Zhao, L.S., Li, Z.H., Guo, Z., 2021. Ecological dynamics of terrestrial and freshwater ecosystems across three mid-Phanerozoic mass extinctions from northwest China. Proceedings of the Royal Society B, 288, 20210148.

https://doi.org/10.1098/rspb.2021.0148