UVB辐射是泥盆纪-石炭系灭绝的致死机制

在泥盆纪-石炭纪交界处(3.59亿年前)有一次无法解释的陆地大灭绝。在格陵兰岛东部发现的畸形陆地植物孢子表明，物种灭绝与UV-B辐射增加是一致的，表明臭氧层减少。水星通过灭绝级别的数据证明，与其他大规模灭绝不同的是，没有行星规模的火山喷发。重要的是，泥盆纪-石炭纪交界处的陆地大规模灭绝与一次重大的气候变暖相吻合，这场气候变暖结束了最新泥盆纪冰期的强烈末期冰川循环。快速变暖期间臭氧层减少的一个机制是增加了ClO的对流输送。因此，快速变暖过程中的臭氧损失是地球系统固有的过程，不可避免的结论是，在未来变暖的世界中，我们应该对这种可能发生的事件保持警惕。

泥盆纪末期的大灭绝[或3.59亿年前的汉根堡危机(1)]现在被列为一级大灭绝(2，3)。这次灭绝是一场多重生物危机，与黑色页岩和缺氧有关的海洋灭绝的早期主要阶段(2)与陆地鱼类大规模灭绝(4)和陆生植物的同时灭绝(5)相隔了大约30万年(Ka)(1)。关于花粉和孢子，陆地上的灭绝清楚地表现为泥盆纪-石炭纪(D-C)界线上的多样性完全丧失(6，7)，至少有四个主导孢子组合的主要孢子群灭绝(7)。灭绝后即刻的VI孢子组合以其简单性著称(6)，恢复的植被以小型的简单陆地植物为主。因此，这一事件是一次重大的生态系统破坏，包括结构化森林社区的崩溃(8)。

在这里，我们报道了格陵兰岛东部陆地D-C边界剖面的一个断面(图1)，它全部包含了灭绝级别。其中一段含有丰富的植物孢子和孢子四分体，具有畸形的雕刻和着色的壁面，这一点是独一无二的。这些畸形与暴露于高水平的紫外线-B(UV-B)是完全一致的，紫外线-B在保护孢粉蛋白壁形成之前破坏了DNA。这表明全球保护性臭氧层暂时丧失。

在东格陵兰岛，D-C边界是一个2到4米厚的区间，有两个永久性的湖泊，可以沿着75公里长的横断面从远端和深部到近端的浅水环境追踪(图1)。这些湖泊最厚、最远的部分在StensiöBjerg(图1和图2)。S1)。下湖包括一段0.5m厚的泥盆纪末期泥岩[Retispora liidophyta-Verrucosiporites nitidus(LN)过渡孢子带(10)，这里标记为LN*]。在该带上方，有一个0.8米厚的区间，通过该区间，床中点的总有机碳含量(TOC重量%；表S1)逐渐增加到相当异常的最大值21%。然而，高有机质含量的后果是，当TOC%增加到2%以上(图1)时，无定形有机质(AOM)占优势，孢子恢复丧失。孢子只在上游湖中再次发现，但作为极早石炭纪的低多样性后灭绝的VI孢子组合(6，7)。

160m厚的Stensiöbjerg组的孢子组合。S2~S4)湖泊以下多样性较低(主要为Retispora、鳞藻门和硅藻门)。随着下游湖泊的形成，古环境变得越来越湿润，孢子多样性也随之显著增加，形成了LN*带。然而，随着湖泊的进一步发育，孢子多样性急剧下降，主要孢子群灭绝。S3和S4)，以前在中泥盆世和晚泥盆世是多样的、分布广泛的和范围很长的。这包括在最近的法门纪中实现了全球分布的鳞藻门，所有不同的具有分叉尖端的番茄脚类孢子群(如Ancyropora)，以及Dducites spp，这是形成泥盆纪森林的林下层的Rhacophyton(11)的孢子体，而Diducites spp是形成泥盆纪森林的林下层的Rhacophyton(11)的孢子。

我们从摄氏度Bjerg上的D-C边界区间收集的数据(图2，表S2和图2)。使我们能够将这些孢子灭绝与巨型孢子的记录联系起来，因为树木大小的植物茎在这个更近的部分丰富。这些树干代表了上游森林中植物残渣的下游堆积。我们的数据表明，这些大的茎在D-C界线上突然完全消失，而在图尔奈期，即早石炭世的前7 Ma(12)，仍然没有消失。这标志着主要森林树冠的坍塌，并与透辉石的灭绝相吻合。然而，

许多标本，包括四分体和分离的孢子，都是棕色的(图3，H到J和W)。这与直接来自上下岩层的黄橙色孢子颜色(图3，A到C和N到P)所显示的低热成熟度水平形成了对比，镜质体反射率为0.7%(表S3)证实了这个值，相当于最高埋藏温度为107°C。这些在下湖的颜色变化是在每个样本的50个单个角棉样本(图3B和表S3)上测量的，表明平均半透明度从底部的50%逐渐下降。

这些独特的角藻标本将注意力集中在下游湖内的其他孢子上，这些孢子在检查时也显示出无处不在的畸形。图4显示了孢子Verrucosiporites nitidus，另一个跨越D-C边界的知名物种(16)。边界下面(图4，A到C)和上面(图4，N到P)，这些孢子颜色苍白，有一个形状良好的疣状雕塑。在较低的湖泊内，两栖弧菌表现出从典型到异常的连续的形态范围。然而，大多数拥有结构良好的雕塑的标本都是棕色的。少数人脸色苍白，直径较小，雕塑没有完全成型，元素间距不规则，大小不均匀。似乎在孢子壁发育过程中，产生这种色素沉着的孢子也获得了一定程度的保护。在下湖孢粉组合的其余部分追踪畸形更加困难，因为这个简单的孢子组合中的大多数物种都没有刺，壁面光滑。其中许多在东格陵兰岛和其他地方也是深棕色的，并且在整个VI孢子带都是如此。然而，在所研究的所有三个部分的上游湖泊中都没有明显的畸形孢子，表明破坏的原因已经停止。

孢子和花粉壁中的畸形在活体花粉(9，17)和化石花粉(9，18)中都有很好的记录，并且是由于DNA[通常是相对碱基对的融合(19)]的破坏造成的，这种损伤发生在保护孢粉蛋白壁层沉积之前。于是花粉就不能复制墙面雕塑的错综复杂和规律性的图案。这种DNA损伤可以通过暴露在UV-B辐射(17)和大气污染物(20)的实验中产生。化石的例子包括二叠纪-三叠纪(9，18，21，22)和三叠纪-侏罗纪(23)的大规模灭绝，那里的针叶花粉和孢子四分体都显示出畸形，通常被解释为来自大火成岩省(LIP)喷发的火山气体的直接影响。然而，在对活的针叶树进行实验之后(9)，这被重新解释为二叠纪-三叠纪的大规模灭绝是由于随着UV-B通量的增加，火山气体最初破坏了臭氧层，然后破坏了花粉和孢子DNA。相比之下，来自三叠纪-侏罗纪的研究则归因于唇部发疹过程中产生的汞(Hg)的遗传毒性效应。

深色孢子在二叠纪-三叠纪(22)和三叠纪-侏罗纪(23)大规模灭绝级别也有报道。虽然因果关系仍未得到证实，但孢子壁和花粉壁天然地呈黄色，以提供对UV-B的保护，因此任何额外的不透明都会增加这种保护。

从其它D-C边界区段中已知(26)畸形孢子。一项重要的记录来自波兰(26)，它位于D-C边界(LN孢子带)的正下方，其中包括许多畸形的瓦拉蒂孢子岩标本和孢子四分体。然而，畸形孢子和四分体在波兰都很少见，只有一个样本的四分体含量超过3%，这是裸子植物花粉正常群体的背景突变水平(18)。此外，只有(26)个可用的VI孢子带样本(只包含保存不佳的孢子)与Rebild Bakker的畸形孢子同龄。这些来自波兰的畸形被归因于火山喷发的影响。另一个记录来自比利时(27)，在那里，与LN孢子带相同年龄的畸形孢子被归因于冷却/干旱。同样，比利时剖面与波兰一样，在最早的石炭纪VI带，也就是最大变形发生在东格陵兰岛的时候，没有发现孢子。

我们对畸形花粉和孢子的记录告诉我们，在大规模灭绝期间起作用的杀死机制是UV-B升高的一段时间，这与保护臭氧层的丧失有关。弗拉斯-法门期(晚泥盆世)、二叠纪末期和三叠纪-侏罗纪大灭绝的致死机制是一种崩塌。

关于火山气体局部喷发造成DNA损伤的可能性，目前在格陵兰岛东部还没有已知的火山岩产状，最接近的年龄(38岁)大约早于13 Ma。关于空气中的污染物，例如，现代冶炼厂的花粉畸形证据(20)表明，浓度必须非常高才能产生任何影响。因此，这种影响也可以被认为是一种畸形机制，因为穿过D-C边界区间和整个盆地的沉积剖面(38)没有包含异常的沉积物，这些沉积物表明异常的化学派生的气载呼气。

理解D-C边界臭氧层丧失的关键观测是畸形孢子与下部湖泊完全重合。此外，这些畸形孢子的比例和变暗程度系统地增加到湖床的中点。位于D-C界线的两个湖泊横向分布广泛(38个)(至少50000 km2)，TOC含量异常高，代表了具有分层水柱的长期深湖系统。在D-C边界存在的两个湖泊横向延伸(38)(至少50000 km2)，TOC含量异常高，代表了具有分层水柱的长期深湖体系。这些湖泊的存在与东格陵兰泥盆纪至早石炭世7 km和60 Ma的旱地河流和风沙沉积的正常模式形成了鲜明的对比。这种普遍的干旱与其所处的位置(39)完全一致，无论是在旧红砂岩大陆的内部(距海约1000公里)，还是在南部干旱带的15°古口。只有当持续的季节性降雨量足以维持常年站立的淡水湖时，才能形成这样的大型湖泊。从许多第四纪(40)和深层例子(41，42)可以很好地理解将所需的季节性降雨强度带入这样一个干旱地带大陆内陆的机制。其过程是，大陆内陆夏季的高温导致正常环流的逆转。这种反转吸引了潮湿的空气，然后上升并冷却，产生了强烈的季节性季风。在这些模型中，湖泊是温度最高的，从它们通常干旱的大陆内部位置来看，代表了异常和持续的变暖事件。这将孢子畸形的最大程度置于下湖的中点，与最高温度一致。这种升温与嘴唇在实际喷发期间(即畸形发生时)造成的降温形成对比。与LIP相关的冷却是大气中高水平的火山灰和SO2双重影响的直接结果(3)，并进一步证明在D-C边界没有行星尺度的火山活动。

最大畸形与气候最大值的重合使我们现在开始寻找温度升高导致臭氧损失的机制。来自美国大陆的综合现代观测和模拟数据(43)提供了这样一种臭氧去除机制，观察到中纬度夏季温度上升，导致向平流层低层对流注入的水蒸气增加。这种增加的高海拔水含量然后超过增加催化活性ClO的产生的阈值(43)，从而增加臭氧损失率。

正反馈机制在晚泥盆世和早石炭世也可能起作用，因为那里有广阔的陆架海，有大量的碳埋藏(2，44)，因此有机生产力也很高。甲基卤素是由广泛的有机体自然产生的(45)；因此，任何有机生产力的提高最终都会增加供应。臭氧的逐渐丧失和破坏性UV-B的增加将导致观察到的泥盆纪森林环境及其结构性群落的崩溃。随之而来的更高的径流速率将产生一次性的营养物质流入陆架海，从而增加甲基卤素的生产。只有当气温从湖泊循环的顶峰下降时，这一过程才会放缓，从而使臭氧层得以重建。从Stensiöbjerg湖沉积中异常高的TOC间隔的厚度(0.8m)可以估计出持续的时间，这代表了最持久的层化和最温暖的条件。这代表了大约50%。

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