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细菌可能导致最糟糕的雪球地球情节

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几年来,地质学家一直在搜集证据,表明地球已经进入了一个深度冻结了几次,冰覆盖甚至赤道和潜在的破坏性后果的生活。这个被称为“雪球地球”的理论一直没有很好的解释是什么引发了全球的冰川。

现在,起源于雪球地球理论的加州理工学院研究小组提出,最早和最严重的事件的罪魁祸首可能是低度的细菌,通过释放氧气,摧毁了保持地球温暖的关键气体。

在当前的“美国科学院学报”(PNAS)期刊中,加州理工学院研究生Robert Kopp和他的监督教授Joe Kirschvink以及校友Isaac Hilburn(现在是麻省理工学院的研究生)和研究生科迪·纳什(Cody Nash)认为蓝藻(或蓝绿藻)在23亿年前突然发展出了破水和释放氧气的能力。氧气破坏了大气中丰富的温室气体,使全球气候彻底失控。

虽然年轻的太阳只有现在的85%,但现在的平均温度与今天相当。许多研究人员认为,这种状况是由于大量的甲烷,商业上称为天然气。就像他们在厨房里做的一样,大气中的甲烷和氧气也是不稳定的。在大自然中,它们在数年内反应产生二氧化碳和水。虽然二氧化碳也是一种温室气体,但甲烷却是几十倍。

当蓝藻进化成能够在光合作用中使用水的第一个有机体时,问题就开始了,作为废物将氧气释放到环境中。更多的原始细菌依赖于可溶性铁或硫化物用于光合作用;改用水使它们几乎在任何有光和营养的地方生长。许多专家认为,这发生在地球历史的早期,在3.8亿至2.7亿年之前,在这种情况下,一些过程必须使蓝藻从数百万年的时间内不会破坏甲烷温室。加州理工学院的研究人员却没有在岩石中找到确凿的证据,表明在23亿年前才开始进行光合作用,这大约是在古元古代的“雪球地球”被触发的时候。

对于蓝细菌引发雪球地球的快速发病,他们必须有充足的关键营养物质,如磷和铁的供应。营养物质的可利用性是为什么今天在农业径流量大的地区出现蓝细菌繁殖的原因。

幸运的是,在23亿年前的地球已经进入了一个适度寒冷的时期,反映在加拿大的冰川形成的岩石。加州理工学院今年早些时候公布的这些加拿大岩石的磁化率测量表明,形成它们的冰川可能在中纬度地区,就像上一个冰河时代的冰川一样。

冰川的作用,将大陆物质磨成粉末并携带到海洋中,将使海洋富含营养物质。一旦蓝细菌进化出这种新的释放氧气的能力,他们就可以享受这种聚宝盆,将普通的冰川变成全球性的冰川。

Kopp说:“他们更大的范围应该能够使蓝藻快速控制地球上的生命并开始释放大量的氧气。

这对气候不好,因为氧气使甲烷温室不稳定。 Kopp和Kirschvink的模型表明,温室可能在10万年内被破坏,但几乎可以肯定的是,在蓝藻发展成为一个生氧有机体的几百万年内,这个温室就被消灭了。没有沼气温室,全球气温骤降至-50摄氏度。

这个星球进入了一个冰冷的时期,甚至连赤道海洋都覆盖着一英里厚的冰层。绝大多数有生命的有机体死亡,而那些幸存下来的地下或热液喷口和 泉水,可能被迫进入赤裸裸的生活。作者指出,如果正确的话,那么进化事故就会引发世界上最严重的气候灾难。然而,为了应对新的氧气涌入,许多幸存者获得了呼吸的能力。这个代谢过程能够释放出很多能量,并最终允许所有更高生命形式的进化。

Kirschvink和他的实验室早前已经展示了地球可以从雪球地球中走出的机制。几千万年之后,二氧化碳将形成另一个温室。事实上,全球气温有可能回升到+50摄氏度,为生物体提供避难所的深海通风口也稳步释放出各种微量金属和营养物质。所以,不仅冰层融化后的生命回归,而且也是这样一场盛开的盛会。 Kirschvink说:“这是对地球毁灭的密切呼唤。 “如果地球离太阳还有一点距离,两极的温度可能已经下降到足以将二氧化碳冻结成干冰,从而把我们这个从雪球地球逃出的温室夺走了。”

当然,23亿年是很久以前。但是,如果条件导致了另一个雪球地球,这个事件指向了人类的一个严酷的现实。我们今天的生活将永远不会看到,但基尔施温克说,如果条件再正确的话,可能会发生更糟的雪球。

他说:“如果我们把环境搞得不好,我们仍然可以进入雪球。 “在过去6.3亿年的时间里,我们还没有过雪球,而且现在太阳正在变暖,所以要进入正确的状态可能会更困难。但是,如果它发生,地球上的所有生命都可能被毁灭。我们可能只能通过成为像金星那样的失控的温室星球而出去。“

Kirschvink是加州理工学院的Van Wingen地球生物学教授。

PNAS论文标题为“古元古代雪球地球:由氧合光合作用的演变引发的气候灾难”

来自加州理工学院



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