地质学家正在寻找地球第一次呼吸的时间

地质学家正在寻找地球第一次呼吸的时间

很久以前,地球与我们的家园截然不同。一块名为罗迪尼亚的超级大陆正在分裂成碎片,这些碎片有着一些似曾相识的名字,如劳伦大陆、波罗的大陆和冈瓦纳大陆。有一段时间,整个地球都被冰层覆盖。生命在这个急剧变化的世界上勉强生存下来。

所有这些都来自我们星球历史的一个篇章,今天的科学家称之为新元古代,它持续了大约 10 亿年至 5.4 亿年前。石质书页中记载的漫长岁月是我们今天世界的遥远前奏:那时第一批动物开始活跃起来,从远古海洋中的原生生物进化而来。

就像今天的人类和其他动物一样,这些古老的祖先需要氧气才能生存。但氧气从何而来,何时而来?我们仍然没有确切的答案。但专家们已经绘制了一幅模糊的快照,展示了新元古代氧气是如何形成的,今天发表在《科学进展》杂志上。这幅图景坎坷不平,充满了氧气进入大气层然后再次消失的时期,如此反复,循环往复,持续了数千万年。

要追溯那么久远的过去,你必须抛弃许多我们认为理所当然的现代世界观。“随着时间的流逝,地球变得越来越陌生,”英国伦敦大学学院的地质学家、论文作者之一亚历山大·克劳斯 (Alexander Krause) 说。

[相关:地球上的生命可能是如何从稀薄的空气和水形成的]

事实上,地球形成后,其早期大气层是由火山喷发产生的各种气体组成的。数十亿年来,这些气体将我们的星球笼罩在有毒的甲烷、硫化氢、二氧化碳和水蒸气的混合体中。

随着时间的推移,情况会发生变化。我们知道,大约 23 亿年前,一种名为蓝藻的微生物通过光合作用创造了大量氧气。科学家们创造性地将这些气体的首次出现称为“大氧化事件”。但尽管这个名字很宏大,但这一事件最多只将大气中的氧气含量提升到了如今水平的一小部分。

从那时到现在发生了什么仍是一个模糊的问题。许多专家认为,大约 4 亿年前的古生代曾发生过另一次氧化事件,当时动物刚刚开始从海洋爬上陆地。另一派,包括这项新研究的作者,认为在大约 7 亿年前的新元古代曾发生过第三次氧化事件。但没有人确切知道氧气是随着时间的推移逐渐增加,还是剧烈波动。

地质学家必须了解这一点,因为大气中的氧气几乎参与了地球表面的每一个过程。即使早期生命大多生活在海里,海洋上层和大气中也会不断交换气体。

为了了解更多信息,克劳斯和他的同事模拟了从 15 亿年前到今天的大气,以及空气中的氧气水平在这段时间内如何波动。虽然他们没有技术来嗅出十亿年前的空气,但地质学家可以利用一些指纹来重建古代大气可能的样子。通过探测那个时代的沉积岩,他们能够测量其中的碳和硫同位素,这些同位素依赖于大气中的氧气来形成。

此外,随着地球板块的移动,深埋在地幔中的氧气会通过构造脱气过程浮出水面并上升到空气中。利用相关时代的构造活动信息,克劳斯和他的同事先前估算了随时间推移的脱气历史。

没有人确切知道氧气是否随着时间的推移逐渐增加,或者是否发生剧烈波动。

通过将这些零碎的证据放在一起,该团队得出了迄今为止空气中氧气含量如何波动的预测。这并不是科学家第一次尝试建立这样的模型,但据克劳斯说,这是第一次有人在十亿年的时间尺度上尝试这样做。克劳斯说:“其他人只重建了几千万年的时间尺度。”

他和同事发现,地球大气中的氧气含量并非一直呈直线上升。相反,我们可以把它想象成氧气过山车。在大约 1 亿年的时间里,氧气含量上升到现代水平的 50% 左右,然后又急剧下降。仅在新元古代就出现了五个这样的峰值。

直到 5.4 亿年前的古生代,大气才真正开始充满氧气。最后,在近 3.5 亿年前,氧气含量达到接近当今水平。这一增长与生命多样性的大爆发(即寒武纪生命大爆发)相吻合。自那时起,尽管氧气含量一直在波动,但从未低于目前的 60% 左右。

“这是一篇有趣的论文,”蒙特利尔麦吉尔大学的地质学家马克斯韦尔·莱希特(Maxwell Lechte)表示,他没有参与这项研究。“这可能是过去 10 年左右地球遥远历史研究中最大的争议点之一。”

[相关:享受呼吸氧气?感谢月亮。]

但值得注意的是,用于模拟的数据集并不完整。“还有很多岩石尚未被研究过,”莱希特说。“随着更多研究的出现,他们可能会更新模型,这可能会显著改变输出结果。”

那么,显而易见的问题是,氧气趋势如何对生命进化产生连锁反应。毕竟,正是在第三次可能的氧化事件中,原生生物开始多样化,并分化成最早的动物——需要氧气才能生存的多细胞生物。古生物学家发现了大量可追溯到该时代末期的化石,其中包括一块有争议的 8.9 亿年前的海绵。

这些动物可能在氧气含量足够高的时期发展壮大,比如盛行的寒武纪生命大爆发。与此同时,氧气含量的下降可能与大规模死亡同时发生。

天文学家可能也会注意到这项研究。任何有关氧化作用的答案都对我们在遥远的类地系外行星上可能发现的东西有着重大影响。如果这些地质学家是正确的,那么这就证明了地球的历史并不是线性的,而是崎岖不平、扭曲的,有时甚至是剧烈的。“这篇论文处理的这些问题代表了我们对地球实际运行方式的理解的一个根本空白,”莱希特说。

<<:  当人类进入国家公园时,动物会注意到并适应

>>:  为什么《濒危物种法》往往为时已晚

推荐阅读

《纯纯的恳求Desu 4》的魅力与评价:粉丝必看的最新作品详解

“PrePrePreAdesu 4”评论和推荐《PrePrePreaDesu 4》是作为丸山ヶ金的小...

Apple AirTag 内置反跟踪技术

当 Apple 的 AirTags 于 4 月 30 日星期五上市时,您将能够使用小型扑克筹码式晶片...

北极熊或能通过寻找新猎物度过冰川融化

北极熊经常被当做气候变化和北极冰盖融化的代名词。长期以来,它们一直被认为是第一批可能因气候变化而灭绝...

《怪药》的魅力与评价:独特的世界观与人物深度

《不可思议的药》:一部描绘星新一世界的短篇动画1965年上映的动画短片《怪药》改编自星新一的短篇小说...

机器人自行进化,形成多样化种群

有几种不同的方法可以研究进化。你可以在一个与世隔绝、没有淡水的小岛上的帐篷里住上几个月。或者你可以编...

8 张大自然奇观获奖照片

该画廊最初发表在bioGraphic 上,这是一本由加州科学院主办的关于自然和保护的独立杂志,也是 ...

这款 Ninja Dragon Phantom K Pro 和 Alpha Z Pro 套装售价 175 美元

这两款高性能无人机的设计兼具趣味性和精准性,完美结合了先进功能和用户友好型控制,可吸引各个级别的无人...

仅需 70 美元即可终身使用您最喜爱的 MS Office 应用程序和培训

回想一下你第一次摆弄电脑的情景。如果你和其他人一样,你可能也曾绞尽脑汁弄清楚扫雷游戏的工作原理,并使...

《Ponpa》的魅力与评价:不容错过的动漫体验

“Ponpa”——难忘的一夜之梦《Ponpa》于1994年11月30日以OVA形式发售,是一部至今仍...

《Zumomo and Nupepe》的魅力与评价:不容错过的动漫体验

Zumomo和Nupepe:儿童动画的吸引力和教育价值《Zumomo and Nupepe》是一部儿...

《WILD ARMS 暮光毒液》的魅力与评价:透彻阐释深度故事与独特世界观

狂野之臂:暮光毒液:西部与科幻相结合的全新冒险《Wild Arms Twilight Venom》是...

带小狗回家给孩子之前你需要知道什么

38% 至 48% 的美国家庭养狗,狗是美国目前最受欢迎的宠物。原因也很容易理解——养狗的好处包括身...

画廊:昨晚横跨半球出现的极光

如果你亲眼目睹了它,那你别无选择,只能注意到它,但对于我们这些不那么幸运的人来说,事情是这样的:昨天...

一休先生与淘气公主:独特人物和故事的迷人融合

一休先生与淘气公主 - 电影评论和详情影片概述《一休先生与淘气公主》是一部由东映制作的动画短片,于 ...

科学界最肮脏的 10 项工作

脏乱的工作也让人感到十分敬佩。那些一口咖啡就从尸体腐烂开始一天生活的人,过着英雄般的生活。前一秒,我...