哲學家和歷史學家托馬斯·S·庫恩曾提出，科學學科的行為很像生物有機體：它們不是緩慢而持續地進化，而是享受著長時間的穩定，期間穿插著罕見的革命，伴隨著新物種的出現——或者在科學領域，新理論的出現。這種描述特別適用於我自己的研究領域，即大規模滅絕的原因和後果——那些週期性的生物劇變，在這些劇變中，地球上大部分生物滅絕，之後一切都變得不再一樣。
自從兩個多世紀前首次認識到這些歷史性的大規模滅絕以來，古生物學家們認為它們是漸進事件，是由氣候變化和生物力量（如捕食、競爭和疾病）共同造成的。但在1980年，當加州大學伯克利分校的一個團隊在地理學家沃爾特·阿爾瓦雷斯的帶領下提出，6500萬年前導致恐龍滅絕的著名事件是迅速發生的，是在小行星撞擊後發生的生態系統災難中發生的，大規模滅絕的理解經歷了一場庫恩式的革命。在隨後的二十年中，來自太空的天體撞擊可能會打擊地球上相當一部分生命的想法被廣泛接受——許多研究人員最終開始相信，宇宙碎片可能至少導致了五次最大規模滅絕中的三次。隨著好萊塢大片如《天地大沖撞》和《絕世天劫》的上映，公眾對這一概念的接受度也隨之固化。
現在，關於生命斷續歷史的另一種思維轉變正在醞釀之中。新的地球化學證據來自地質記錄中劃定大規模滅絕事件的成層岩層帶，包括對化學殘留物（稱為有機生物標誌物）的令人興奮的發現，這些生物標誌物是由通常不留下化石的微小生命形式產生的。這些資料共同表明，災難性撞擊作為大規模滅絕的原因是例外，而不是規律。在大多數情況下，地球本身似乎以一種前所未有的方式成為了生命最大的敵人。而當前人類的活動可能再次將生物圈置於危險之中。
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後阿爾瓦雷斯時代
為了理解對撞擊正規化的普遍熱情，回顧一下為其提供動力的證據是有幫助的。阿爾瓦雷斯以及他的物理學家父親路易斯·W·阿爾瓦雷斯和核化學家海倫·V·米歇爾和弗蘭克·阿薩羅提出的情景包含兩個獨立的假設：首先，一顆相當大的小行星——估計直徑為10公里——在6500萬年前撞擊了地球；其次，撞擊的環境後果扼殺了超過一半的物種。他們在一個厚厚的銥層中發現了撞擊留下的痕跡——銥在地球上稀有，但在地外物質中很常見——銥層覆蓋了全球。
在這個驚人的宣佈後的十年內，兇手的指紋出現了，形式是在墨西哥尤卡坦半島上顯而易見的希克蘇魯伯隕石坑。它的發現消除了大多數揮之不去的疑慮，即恐龍的統治是否以一聲巨響結束。與此同時，它也引發了關於其他大規模滅絕事件的新問題：如果其中一次是由撞擊引起的，那麼其餘的呢？在過去的5億年中，世界上大部分生命形式已經消失了五次。第一次這樣的事件發生在奧陶紀末期，大約4.43億年前。第二次發生在3.74億年前，接近泥盆紀末期。其中最大的一次，大滅絕，發生在2.51億年前的二疊紀末期，消滅了90%的海洋生物和70%的陸地植物、動物甚至昆蟲[參見道格拉斯·H·歐文的《大規模滅絕之母》；《大眾科學》，1996年7月]。全球性的死亡再次發生在2.01億年前，結束了三疊紀，而最後一次大規模滅絕，發生在6500萬年前，以眾所周知的大爆炸結束了白堊紀。[分隔符]
地球能夠，而且可能確實，消滅了自己的居民。
在1990年代初期，古生物學家大衛·勞普的著作《滅絕：壞基因還是壞運氣？》預測，最終會發現撞擊是所有這些主要大規模滅絕事件以及其他不太嚴重的事件的罪魁禍首。來自白堊紀和第三紀（K/T）時期之間的地質邊界的撞擊證據當然是並且仍然令人信服：除了希克蘇魯伯隕石坑和清晰的銥層之外，撞擊碎片，包括散佈在全球各地的壓力衝擊石，都證明了這次撞擊。古代沉積物中的進一步化學線索記錄了隨後不久發生的全球大氣成分和氣候的快速變化。
對於其他幾個滅絕時期，跡象似乎也指向“上方”。地質學家早在1970年代就將薄銥層與泥盆紀末期滅絕聯絡起來。到2002年，單獨的發現表明三疊紀末期和二疊紀末期發生了撞擊。在三疊紀層中發現了微弱的銥痕跡。對於二疊紀，據信包含捕獲的地外氣體的獨特碳“巴克球”分子增加了另一個引人入勝的線索[參見盧安·貝克爾的《重複撞擊》；《大眾科學》，2002年3月]。因此，許多科學家開始懷疑小行星或彗星是“五大”大規模滅絕事件中四次的來源；例外是奧陶紀末期事件，它被認為是來自我們宇宙鄰域中爆炸的恆星的輻射的結果。
然而，隨著研究人員近年來繼續探測資料，他們發現有些事情不太對勁。新的化石分析表明，二疊紀和三疊紀滅絕是持續數十萬年的漫長過程。新獲得的關於大氣碳的興衰（稱為碳迴圈）的證據似乎也表明，生物圈遭受了一系列長期的環境破壞，而不是單一的災難性打擊。
並非如此突然的衝擊
K/T事件的教訓是，大型物體撞擊就像一場夷平城市的大地震：災難是突然的、毀滅性的，但卻是短暫的——並且在災難結束後，城市很快就開始重建。這種破壞和隨後恢復的節奏反映在K/T滅絕的碳同位素資料以及化石記錄中，儘管驗證後者花費了科學界一段時間。在K/T邊界本身預期的突然死亡確實在最小和最豐富的化石中可見，即鈣質和矽質浮游生物的化石，以及植物孢子中可見。但是，一個群體中的化石越大，它們的滅絕看起來就越漸進。
古生物學家們逐漸明白，這種明顯的模式受到正在研究的大多數土壤和岩石地層的大型化石樣本稀疏性的影響。為了解決這個抽樣問題並更清晰地瞭解滅絕的速度，哈佛大學古生物學家查爾斯·馬歇爾開發了一種新的統計協議，用於分析化石範圍。透過確定特定物種在給定時間段內滅絕的機率，這種分析方法可以從即使是稀有化石中提取最大量的資訊。
1996年，馬歇爾和我聯手在他的K/T地層剖面上測試了他的系統，並最終表明，在歐洲，最豐富的較大型海洋動物菊石（與鸚鵡螺相關的軟體動物化石）的逐漸滅絕實際上與它們在K/T邊界本身的突然消失是一致的。但是，當包括我在內的幾位研究人員將新方法應用於早期的滅絕事件時，結果與K/T剖面不同。我的小組對二疊紀和三疊紀晚期海洋和非海洋環境的地層研究表明，在邊界附近，滅絕的發生更為漸進。[分隔符]
這種模式也反映在碳同位素記錄中，碳同位素記錄是理解滅絕速率的另一個強大工具。碳原子有三種尺寸或同位素，原子核中帶中性電荷的粒子數量略有不同。許多人熟悉其中一種同位素，碳14（14C），因為它的衰變通常用於確定特定化石骨骼或古代沉積物樣本的年代。但是，對於解釋大規模滅絕，從地質記錄中提取的更有用的一種資訊是12C與13C同位素的比率，它可以提供當時植物生命活力的更廣泛快照。
這是因為光合作用在很大程度上驅動了12C-13C比率的變化。植物利用來自太陽的能量將二氧化碳（CO2）分解為有機碳，它們利用有機碳來構建細胞並提供能量；對我們動物來說幸運的是，遊離氧氣是它們的廢棄物。但是植物很挑剔，它們優先選擇含有12C的CO2。因此，當植物生命——無論是光合作用微生物、漂浮的藻類還是高大的樹木——豐富時，大氣中剩餘的CO2中13C的比例更高，而大氣中的12C明顯降低。
透過檢查大規模滅絕事件之前、期間和之後的樣本中的同位素比率，研究人員可以獲得陸地和海洋中植物生命數量的可靠指標。當研究人員在圖表上繪製K/T事件的此類測量值時，會出現一個簡單的模式。幾乎與包含礦物學證據（表明存在碎片）的所謂撞擊層的鋪放同時，碳同位素發生變化——13C在短時間內急劇下降——表明植物生命突然死亡並迅速恢復。這一發現與陸地上較大植物和海洋微觀浮游生物的化石記錄完全一致，它們在K/T事件中遭受了驚人的損失，但迅速反彈。
相比之下，我的小組在2005年初揭示的二疊紀碳記錄，以及最近揭示的三疊紀碳記錄，記錄了植物和浮游生物在那兩次大規模滅絕期間截然不同的命運。在這兩種情況下，超過50,000至100,000年間隔內的多次同位素變化表明，植物群落被擊倒，然後重新形成，但又受到一系列滅絕事件的干擾。要產生這樣的模式，需要一系列小行星撞擊，每次撞擊間隔數千年。但是，在任何一個時間跨度內，都沒有發生一系列撞擊的礦物學證據。
實際上，對證據的進一步調查使人們對在那兩個時期發生任何撞擊的可能性產生了質疑。沒有其他研究小組複製了最初在二疊紀末期邊界發現的包含地外氣體的巴克球的發現。來自該時期的衝擊石英的發現也被撤回，地質學家無法就來自澳大利亞附近深海和南極洲冰層下的事件的所謂撞擊坑是否真的是隕石坑還是僅僅是天然岩層達成一致。對於三疊紀末期，發現的銥濃度非常低，以至於可能反映出小行星的撞擊，但沒有K/T邊界處看到的那種行星毀滅規模的撞擊。但是，如果不支援撞擊作為這些大規模滅絕的原因，那麼是什麼引發了大規模死亡呢？一種新型證據表明，地球本身能夠，而且可能確實，消滅了自己的居民。
可怕的溫室效應
大約在十年前，小群地質學家開始與有機化學家合作，研究地球歷史上關鍵時期的環境條件。他們的工作涉及從古代地層中提取有機殘留物，以尋找被稱為生物標誌物的化學“化石”。一些生物留下了堅韌的有機分子，這些分子在它們身體腐爛後仍然存在，並被埋藏在沉積岩中。這些生物標誌物可以作為通常不留下任何骨骼化石的早已滅絕的生命形式的證據。例如，各種微生物留下了它們細胞膜中存在的獨特脂質的痕跡——這些痕跡以新的質譜形式出現，質譜是一種按質量對分子進行分類的技術。[分隔符]
這項生物標誌物研究最初是在早於動物和植物歷史的岩石上進行的，部分目的是確定生命最初在地球上出現的時間和條件。但在過去的幾年中，科學家們開始對大規模滅絕邊界進行取樣。令從事這項工作的人們大為驚訝的是，來自大規模滅絕時期（K/T事件除外）的資料表明，世界海洋不止一次恢復到極低的氧氣條件（稱為缺氧），這種條件在植物和動物變得豐富之前很常見。
在發現的生物標誌物中，有大量微小的光合作用綠色硫細菌的遺骸。今天，這些微生物與它們的近親光合作用紫色硫細菌一起，生活在缺氧的海洋環境中，如停滯的湖泊深處和黑海，它們是非常有害的角色。為了獲得能量，它們氧化硫化氫（H2S）氣體，這是一種對大多數其他生命形式有毒的物質，並將其轉化為硫。因此，它們在滅絕邊界的豐富存在為大規模滅絕原因的新解釋打開了道路。
科學家們早就知道，在大規模滅絕時期，氧氣水平低於今天，儘管原因從未得到充分確定。與大多數大規模滅絕相關的，大規模火山活動可能會提高大氣中的CO2水平，從而減少氧氣並導致強烈的全球變暖——長期以來一直是撞擊的替代理論；然而，火山活動造成的改變不一定能解釋二疊紀末期的大規模海洋滅絕。火山也無法解釋陸地上的植物死亡，因為植被會在CO2增加的情況下茁壯成長，並且可能在變暖中倖存下來。
但是，來自二疊紀晚期和三疊紀晚期岩石的海洋沉積物中的生物標誌物，產生了海洋範圍內H2S消耗細菌大量繁殖的化學證據。由於這些微生物只能在無氧環境中生存，但需要陽光進行光合作用，因此它們存在於代表淺海環境的地層中，這本身就是一個標誌，表明即使在二疊紀末期，海洋表面也缺乏氧氣，但富含H2S。
在今天的海洋中，氧氣從上到下基本上以相同的濃度存在，因為它從大氣中溶解到水中，並透過海洋環流向下輸送。只有在不尋常的情況下，例如黑海中存在的情況，地表以下的缺氧條件才允許各種各樣的厭氧生物在水柱中茁壯成長。那些深海厭氧微生物會產生大量的硫化氫，硫化氫也會溶解到海水中。隨著其濃度的增加，H2S向上擴散，在那裡它遇到向下擴散的氧氣。只要它們的平衡保持不受干擾，含氧水和硫化氫飽和水就會保持分離，它們之間的介面被稱為化學躍層，是穩定的。通常，綠色和紫色硫細菌生活在化學躍層中，享受來自下方的H2S供應和來自上方的陽光。
然而，賓夕法尼亞州立大學的地球科學家李·R·坎普和邁克爾·A·阿瑟的計算表明，如果海洋中的氧氣水平下降，條件將開始有利於深海厭氧細菌，它們會繁殖併產生更多的硫化氫。在他們的模型中，如果在海洋缺氧的時期內，深水H2S濃度增加到超過臨界閾值，那麼將富含H2S的深水與含氧表層水隔開的化學躍層可能會突然漂浮到頂部。可怕的結果是，大量的有毒H2S氣體噴發到大氣中。[分隔符]
他們的研究表明，在二疊紀末期，這種海洋上升流產生的H2S足以導致陸地和海洋生物滅絕。這種窒息性氣體不會是唯一的殺手。亞利桑那大學的亞歷山大·帕夫洛夫的模型表明，H2S也會攻擊地球的臭氧層，臭氧層是保護生命免受太陽紫外線（UV）輻射的大氣層。格陵蘭島的化石孢子中存在證據表明，臭氧層在二疊紀末期確實受到了破壞，這些孢子顯示出已知由長期暴露於高紫外線水平引起的畸形。今天，我們也可以看到，在臭氧層“空洞”下方，尤其是在南極洲，浮游植物的生物量迅速減少。如果食物鏈的基礎被破壞，那麼很快更高階的生物也會陷入絕境。
坎普和阿瑟估計，從海洋進入二疊紀晚期大氣的H2S氣體量是今天火山釋放的少量氣體的2000多倍。足夠多的有毒氣體滲透到大氣中，足以殺死植物和動物——特別是由於H2S的致命性隨著溫度的升高而增加。幾次大小規模的滅絕事件似乎都發生在短暫的全球變暖時期。這就是古代火山活動可能發揮作用的地方。
在多次大規模滅絕事件發生前後，已知主要的火山事件已將數千平方公里的熔岩噴發到陸地或海底。這種巨大的火山噴發的副產品是大量二氧化碳和甲烷進入大氣，這將導致全球迅速變暖。在二疊紀和三疊紀晚期以及侏羅紀早期、白堊紀中期和古新世晚期等時期，碳同位素記錄證實，CO2濃度在滅絕開始前立即飆升，然後在數十萬到數百萬年的時間裡保持在高位。
但最關鍵的因素似乎是海洋。加熱使水更難從大氣中吸收氧氣；因此，如果古代火山活動提高了CO2並降低了大氣中的氧氣量，而全球變暖使得剩餘的氧氣更難滲透到海洋中，那麼深海厭氧細菌就會變得容易產生大量的H2S上升流。呼吸氧氣的海洋生物將首當其衝，而光合作用綠色和紫色H2S消耗細菌將能夠在缺氧海洋的表面茁壯成長。隨著H2S氣體窒息陸地上的生物並侵蝕地球的保護層，地球上幾乎沒有哪種生命形式是安全的。
坎普的行星滅絕假說為二疊紀末期的海洋和陸地滅絕之間提供了聯絡，並解釋了火山活動和CO2增加如何引發了這兩種滅絕。它還解決了所有二疊紀末期遺址中發現硫的奇怪發現。中毒的海洋和大氣層可以解釋那次大規模滅絕後生命恢復非常緩慢的原因。
最後，這個提出的事件序列不僅與二疊紀末期有關。發生在5400萬年前古新世末期的一次較小的滅絕事件，已被先見之明地歸因於某種程度上由短期全球變暖引發的海洋缺氧時期。生物標誌物和缺氧海洋的地質證據表明，這也可能發生在三疊紀末期、白堊紀中期和泥盆紀晚期，使得這種極端的溫室效應滅絕可能成為地球歷史上反覆出現的現象。
然而，最令人不安的是，我們的物種在未來是否需要擔心這種機制：如果它以前發生過，它會再次發生嗎？儘管對每次古代滅絕事件中二氧化碳進入大氣的速率的估計仍然不確定，但發生大規模死亡的最終水平是已知的。古新世末期所謂的“熱滅絕”始於大氣CO2略低於百萬分之1000（ppm）時。在三疊紀末期，CO2略高於1000 ppm。今天，CO2約為385 ppm，似乎我們仍然安全。但是，隨著大氣碳以每年2 ppm的速度攀升，預計將加速到3 ppm，到下個世紀末，水平可能會接近900 ppm，並且可能會出現導致海洋缺氧開始的條件。在那之後多久可能會發生新的溫室效應滅絕？這是我們的社會永遠不應該發現的事情。