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“雪球地球”時期的生物是如何存活的?



北京時間12月30日消息,據國外媒體報導,隨著溫室氣體排放量不斷增加、地球持續升溫,全球氣候越來越接近遠古時期的地球氣候。這引發了科學家對地球氣候史的關注,尤其是諸如上新世這類比較溫暖的時期。科學家認為,我們眼下正在朝上新世時期的氣候發展。

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藝術家描繪的“雪球地球”。

與此同時,科學家對其它地質年代也做了進一步研究。儘管處於這些時期的地球與現在截然不同,但也能幫助我們更好地了解地球、甚至人類自身。

成冰紀就是一個這樣的例子。它處於約7.2億年至6.35億年之前,當時地球正在經歷有史以來最極端的冰河時代,整個地球都處於冰封狀態,因此被稱作“雪球地球”。

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  如今地球上只有南極和格陵蘭島的部分地區常年覆有冰蓋。但在成冰紀時期,大部分地表都為冰雪所覆蓋。

但不知何故,成冰紀也是化石記錄中首次出現複雜動物跡象的年代。這些生物為動物界的“黃金時代”奠定了基礎,且這種輝煌一直延續至今。在一項新研究中,研究人員對成冰紀時期的岩石中的化學成分做了分析,希望能了解更多這個陌生世界的信息,如為何當時的動物不僅能夠存活、甚至還發展到了新高度。

冰封的地球

在成冰紀期間,幾乎整個地球表面都為冰雪所覆蓋,巨大的冰蓋一直延伸到了熱帶地區。 (不過,當時冰凍的範圍仍存在一定爭議。)大部分陸地都結合在一起,構成了羅迪尼亞超級大陸。但由於全球各地分佈的冰川,幾乎整個地表都被凍成了一塊堅冰。地表平均溫度僅為零上幾度,還有一些研究指出,當時的溫度應當比這低得多,可能低達零下50攝氏度。

成冰紀期間有過兩次大規模冰期,分別叫做斯圖特(Sturtian)和馬林諾(Marinoan)。兩次冰期之間曾有過一段短暫的、較為溫暖的時期,一度發生過冰層融化和火山爆發。對地球來說,這是一段瘋狂的時期,在冰與火兩個極端之間來回切換。但也是一段非常重要的時期,因為它宣告了複雜動物的出現,其中也包括我們的祖先。

問題是,這些動物究竟是如何在“雪球地球”上生存的?這個問題令許多人都感到困惑不已。在這段時期,不僅冰面上的動物難以存活,海洋生物也是如此,因為冰封的海面會嚴重影響海水吸收氧氣的能力。這個看似矛盾的問題困擾了科學家許久。但發表在《美國國家科學院院刊》上的一項新研究終於為我們揭開了答案。

動物大爆發

早在成冰紀很久之前,地球上就已經出現了生命,但主要都是單細胞微生物。即使後來出現了多細胞生物,也都是些極為簡單的基本生物,只會從海水中過濾養分、或者以微生物為食。這些早期生物尚未發育出眼睛、腿、下頜或爪子,因為在一個沒有天敵的世界裡,它們並不需要這些。

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寒武紀大爆發是地球歷史上的一大轉折點,期間形成了大量大型複雜生物。

但在寒武紀大爆發之後,情況很快就發生了改變。在不到2000萬年的時間裡,生物多樣性急劇增加,有力推動了動物時代的到來,因此被譽為動物進化史上的“宇宙大爆炸”。不過部分研究指出,所謂的“大爆發”也許其實由一系列小規模“爆發”構成。但無論如何,寒武紀大爆發都是地球生命進化史上的一次重大飛躍。我們如今所知的大部分生物類型都在這一時期出現,包括人類和其它所有脊椎動物的祖先。

但化石記錄顯示,在寒武紀大爆發開始之前,複雜動物已經有了露頭之勢。這些也許並不是之後出現的那些新型複雜生物,但顯然在寒武紀大爆發之前,地球上就已經存在復雜生物了。並且這些生物似乎是在成冰紀初期出現的,因此不得不熬過地球的“雪球”時期。這些複雜生物的先驅包括真核生物(擁有高級細胞結構的生物統稱)、也許還有海綿等原始動物。

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圖為伸入大海的南極Venable冰架。

富含氧氣的水對許多早期復雜生物而言都至關重要,對動物來說尤其如此。但由於當時的海洋處於冰封之下、水中氧氣有限,科學家一直認為當時不具備這樣的環境。但我們知道,這些早期生物的確在“雪球地球”上設法存活了下來(不然也就沒有我們這些後代了),因此一些科學家提出了其它假設,試圖解釋成冰紀時期真核生物的存活方式。例如,真核生物也許生活在冰蓋上方的融水池塘中、而非冰蓋下面的海水里。

不過此次發表的新研究指出,有些海洋也許並不像我們認為的那樣不適宜遠古生物存活。

冰川氧泵

此次研究作者們對澳大利亞、納米比亞和美國加利福尼亞州的鐵礦石進行了分析。這些鐵礦石均形成於斯圖特冰期,被埋藏在一系列不同的冰川環境中,因此可以幫助我們全面地了解當時的海洋情況。

而研究顯示,當時遠離海岸的海水的確含氧量極低、且含鐵量較高,因此不適合動物等需依賴氧氣的生物存活。但在冰封的海岸線附近,海水的含氧量卻高得驚人。研究人員指出,這是證明“雪球地球”時期存在富氧海洋環境的首個直接證據,或許能解釋成冰紀時期的生物是如何存活下來、並在之後的寒武紀大爆發中進一步繁衍興盛的。

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  通過研究“雪球地球”和“泥濘地球”,科學家希望能更好地了解可能擁有冰封海洋的地外行星,如開普勒-62f等等。

“該證據顯示,儘管被冰封的海洋大部分都因為缺乏氧氣而不適宜生命存活,但在陸地上的冰蓋與海水接壤處,卻有大量富含氧氣的融水。”該研究的主要作者、加拿大麥吉爾大學博士後研究員麥克斯韋·萊希特(Maxwell Lechte)在媒體發布會上表示,“這種趨勢可以用所謂的'冰川氧泵'來描述:冰川融化後,原本封存在冰塊中的氣泡便會隨之進入水中,增加水體的含氧量。”

冰川由雪不斷堆積、壓縮而成,因此雪中所含的氣泡也會隨之封存在冰層中。隨著時間的流逝,這些氣泡會在冰層中逐漸向下移動,最終隨著冰川底部的融水一同逸散出去。在部分地區,這些氣泡提供的氧氣也許足以讓早期海洋動物在“雪球地球”上存活下來。

冬日樂園

事實上,“雪球地球”對這些早期生物的意義也許不僅是一道難關而已。有跡象顯示,成冰紀時期的特定條件也許為寒武紀大爆發奠定了基礎。 “就在復雜動物開始演化之前,地球經歷了一段全球冰封時期,這說明'雪球地球'和動物進化之間可能有某種聯繫。”萊希特表示,“成冰紀時期的嚴酷環境也許起到了刺激作用,迫使生物分化成更多複雜的形式。”

近期開展的另一項研究也得出了這一結論,認為動物的崛起與成冰紀期間發生的全球藻類大爆發有一定聯繫。而此次藻類爆發又是由斯圖特冰期之後的冰層融化激發的。在斯圖特與馬林諾冰期之間那段較為溫暖的時期,大量融水湧入海洋,為海水補充了一些關鍵成分。

該研究的主要作者、澳大利亞國立大學教授約翰·布洛克斯(Jochen Brocks)解釋道:“當時的地球已經被冰凍了5000多萬年,巨大的冰川將整座山脈都化作了齏粉。隨著全球溫度升高、冰雪融化,其中所含的營養物質就被沖入了大海之中。”

而隨著高溫退去、地球再次進入雪球狀態,富含營養物質的冷卻海水便為全球海洋藻類大爆發提供了理想的環境。此前由細菌主宰的海洋變成了更大、更複雜的生物的天下,而這些藻類又為更大、更複雜的物種提供了生存進化的“燃料”。假如地球不曾變成“雪球”,我們也許永遠都沒有機會出現。

“這些體型較大、營養豐富的微生物為複雜生物系統的演化提供了充足的能量,”布洛克斯指出,“而只有在這些複雜環境中,人類等大型複雜動物才能繁衍生息。”(葉子)