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来自臭氧消耗的紫外线增加使树木消毒

当暴露在紫外线辐射下时,松树会暂时变得无菌,就像一些科学家认为地球在这个星球最大规模物种灭绝期间经历的2.52亿年前一样强烈,这有助于支持臭氧消耗导致危机的理论。

高紫外线对针叶树和潜在的其他树木的影响也表明,今天在引入消耗地球臭氧层的化学物质时要谨慎,这种臭氧层在20世纪80年代全球禁止使用氯氟烃制冷剂之后尚未恢复。一些工业化学品还会破坏大气中的臭氧,这是地球上的防晒剂,可以保护所有生命免受过量紫外线,特别是UV-B波长的影响,从而导致DNA发生突变。

该实验的结果由加州大学伯克利分校的研究生Jeffrey Benca进行,将于2月7日在线期刊“科学进展”上发表。

Benca照射了18英寸高,类似盆景的松树,其UV-B剂量比目前在地球上的强度高13倍,模拟了二叠纪末期发生的巨大火山爆发造成的臭氧消耗的影响。在为期两个月的实验中,没有一棵树死亡,但是所有的种子锥体或松果在出现后几天都萎缩,使树木无菌。

当放置在外面时,树木在晚年重新获得了生产健康种子锥体的能力。

科学家们提出,近一百万年来定期火山爆发造成的臭氧消耗是二叠纪末灭绝的原因之一,但目前还不清楚。酸雨本来就是一种影响,但近70%的陆地动物,95%的海洋生物和许多植物谱系的灭绝是全球性的。

以前的古气候模拟研究表明,尽管是暂时的,但火山喷发可能已经消灭了全世界的臭氧层。然而,根据Benca的说法,即使古老的树木恢复了生育能力,反复的不育也会阻碍人口的长期增长,从而导致全球生物圈的崩溃。

长期生物圈崩溃

“在二叠纪危机期间,由于紫外线照射增加,森林可能部分或全部消失,”本卡说。“随着火山爆发的脉冲发生,我们预计脉冲臭氧层会减弱,这可能导致之前在化石记录中观察到的森林减少。”

“如果你在全球范围内反复破坏一些主要的植物谱系,你可能会通过破坏食物网基质来触发营养级联,这对陆地动物来说效果不佳,”他补充道。

这一惊人的发现告诉科学家一些关于过去灭绝和地球未来前景的事情,因为气候变化,栖息地破坏和污染使我们为地球的第六次大规模灭绝奠定了基础。

“古生物学家已经提出了大规模灭绝的各种杀戮场景,但是植物生命可能不会因为突然死亡而受到影响,就像在很长一段时间内中断生命周期的一部分,如繁殖一样,导致人口联合作者,加州大学伯克利分校综合生物学副教授Cindy Looy表示,这可能会减少并可能消失。

“全球生物多样性灾难不是关于死亡,而是关于生命树上进化分支的修剪速度远高于新芽的萌芽,”共同作者Ivo Duijnstee补充道,他是综合生物学的兼职助理教授。“杰夫,他使用他的植物生长室作为时间机器来测试关于可能在2.52亿年前发生的事情的假设的可能性,提供了一个很好的例子来说明在陆地上缓慢展开的灭绝如何可能数十或数十万年可能是由食物链基地的生殖问题引起的。“

西伯利亚火山

二叠纪末期的灭绝被认为是西伯利亚火山爆发造成的数十万甚至数百万年,产生了今天所谓的西伯利亚陷阱:熔岩地覆盖了俄罗斯北部的大部分地区,原本几乎包含在内300万平方英里,平均厚度约1,000英尺。

2004年,Looy和她的前博士。顾问Henk Visscher提出了一种可能发挥作用的方法,基于世界范围内发现的化石异常植物孢子:火山气体 - 卤化碳如甲基氯和甲基溴 - 破坏了地球臭氧层的大部分或全部,从而增加了UV-B的暴露量影响了生命,并可能增加全球植物花粉和孢子的基因突变率。

这一假设的证据在2005年增长,当时澳大利亚地球科学家Clinton Foster领导的一个独立研究小组从末端二叠纪种子植物中发现了畸形的花粉粒。在北半球和南半球都可以看到畸形花粉百分比的上升,这与全球森林的减少同时发生。

在2.52亿年的花粉化石中发现畸形机制的证据是不可能的,因此Looy和其他人一直在寻找其他方法来确定增加的UV-B是否会破坏末端二叠纪生态系统。Benca提出了一系列使用活植物来检验假设的实验。

第一个实验,使用松树,旨在找出高水平的UV-B是否会导致今天的种子植物中的花粉粒畸形,类似于福斯特所描述的,以及这些畸形是否会影响繁殖。将一棵成熟的松树挤压到一个实验室是一个棘手的问题,直到Benca找到了一个新的解决方案:使用一种选择盆栽的矮化品种,可以很容易地产生花粉和种子锥体。

2013年,他从俄勒冈州Boring的一个针叶树苗圃向伯克利运送了60只矮小的无性松树。在适应它们一年的户外,在充足的阳光下,用稀疏的水和营养贫瘠的土壤 - 这种高山物种的典型条件,Pinus mugo - 使用高强度UV-B发光灯进行了56天的室内实验。

在三个独立的室内紫外线室中,本卡将矮小的松树暴露在伯克利的正常UV-B强度的7.5倍,10倍和13倍之间,这符合西伯利亚陷阱喷发对臭氧层的影响估计,如果它们的排放发生在各种长度上时间,从40万年到不到20万年不等。

实际上,松树确实产生了畸形的花粉。在中度和极端暴露中,12%至15%的花粉粒畸形,而正常和低暴露树木则为3%。Benca说,福斯特先前的研究表明,花粉产量超过3%的畸形谷物与现代针叶树的环境压力有关。他总共花了三年时间进行实验,比较了室内树木产生的57,000多个花粉粒。

然而,令研究人员惊讶的是,所有遭受紫外线水平升高的树木都变得无菌。他们的种子锥体在有机会受精前萎缩了。这似乎是对UV-B胁迫的全身反应,因为甚至隐藏在叶子中的种子锥也会死亡。

“我们使用的系统非常保守,”Benca说。“与受影响的末端 - 二叠纪种子植物的相对无保护的种子结构不同,今天的松树具有复杂且非常强化的互锁锥形鳞片,可以保护它们的种子不受捕食者和外部环境的影响。即便如此,这些树木也只是抛弃了它们的种子Pinus mugo是一种高山物种,对紫外线水平的提高应具有相当的弹性。“

“杰夫的UV-B爆炸实验 - 有点像计算的远射 - 在现代针叶树中产生的花粉异常类似于在2.52亿年前的微化石中观察到的异常,这是我见过的最激动人心的事情之一十年,“Duijnstee说。

该研究得到了国家科学基金会(1000135655,1457846),挪威研究理事会通过地球演化和动力学中心(CEED)(223272.L。)以及古生物学会Richard Bambach奖的支持。

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